MATERIALES METÁLICOS: ÍNDICE GENERAL
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Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MATERIALES METÁLICOS: ÍNDICE GENERAL 1. MECANISMOS DE CORROSIÓN EN INSTALACIONES RELACIONADAS CON EL TRATAMIENTO Y CONDUCCIÓN DE AGUA 1.1 CORROSIÓN DE MATERIALES FÉRREOS 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 CORROSIÓN EN MEDIOS ACUOSOS CORROSIÓN DE METALES ENTERRADOS CORROSIÓN BIOLÓGICA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA 1.2 CORROSIÓN DEL COBRE Y SUS ALEACIONES 1.3 CORROSIÓN DEL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES 2. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN 2.1 PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS MATERIALES METÁLICOS 2.1.0 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 PERSPECTIVA GENERAL ACERO AL CARBONO FUNDICIONES DE HIERRO ACEROS INOXIDABLES COBRE Y SUS ALEACIONES ALUMINIO Y SUS ALEACIONES 2.1.6 COSTE ECONÓMICO RELATIVO DE LOS MATERIALES METÁLICOS 2.2 DETALLES DE DISEÑO 2.3 RECUBRIMIENTOS PROTECTORES CONTRA LA CORROSIÓN RECUBRIMIENTOS ORGÁNICOS PINTURAS RECUBRIMIENTOS METÁLICOS RECUBRIMIENTOS INORGANICOS (NO METÁLICOS) 2.4 INHIBIDORES DE CORROSIÓN 2.5 PROTECCIÓN ELECTROQUÍMICA PROTECCIÓN CATÓDICA PROTECCIÓN ANÓDICA 1 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 2 3. CORROSIÓN Y PROTECCIÓN DE MATERIALES EN LAS INSTALACIONES DE TRATMIENTO DE AGUA 3.1 CORROSIÓN ATMOSFÉRICA Y PROTECCIÓN 3.2 CORROSIÓN ACUOSA Y PROTECCIÓN 3.3 CORROSIÓN Y PROTECCIÓN DE TUBERÍAS Y MATERIALES ENTERRADOS 4. MATERIALES METÁLICOS PARA BOMBAS, VÁLVULAS Y TUBERÍAS 5. BIBLIOGRAFÍA MATERIALES METÁLICOS Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 3 1. MECANISMOS DE CORROSIÓN EN INSTALACIONES DE TRATAMENTO DE AGUA. 1.1 Corrosión de Materiales Férreos 1.1.1 CORROSIÓN EN MEDIOS ACUOSOS 1.1.1.1 MECANISMO ELECTROQUÍMICO DE LA CORROSIÓN ACUOSA 1.1.1.2 FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN ACUOSA 1.1.1.1 MECANISMO ELECTROQUÍMICO DE LA CORROSIÓN ACUOSA La oxidación de los metales en un medio acuoso es esencialmente un proceso de pérdida de electrones, que se materializa como una red de pilas en cortocircuito sobre la superficie de un metal. La presencia en la disolución acuosa de sustancias con más avidez por los electrones que el metal en cuestión, hacen que éste los ceda, oxidándose. El metal pasa entonces al medio acuoso como ión. Las zonas de la superficie metálica donde ocurre este proceso de oxidación o disolución del metal se denominan zonas anódicas. Los electrones cedidos por el metal se trasladan a través de la masa metálica hasta las zonas donde se hallan los agentes demandantes de electrones (agentes oxidantes), que al aceptarlos se reducen. Las zonas de la superficie metálica donde tienen lugar los procesos de reducción mencionados, se denominan zonas de reducción o catódicas. En la figura siguiente se representa la superficie de un material metálico mostrando zonas con diferente potencial electroquímico. Zonas Catódicas Zonas Anódicas El metal sufre disolución en las zonas anódicas. El proceso de corrosión no afecta por igual a toda la superficie metálica, pues en las zonas catódicas no hay ataque. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 4 Ecuaciones de Oxidación - Reducción El proceso de oxidación y reducción se expresa en las siguientes ecuaciones - Reacción Anódica : Oxidación del Fe Fe → Fe2+ + 2e- ( E0 = - 0,44 V ) - ReaccionesCatódicas En función de los agentes oxidantes existentes en el medio acuoso predominará alguna de las siguientes reacciones de reducción: a) Agua aireada con pH neutro o alcalino O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH- (reducción del oxígeno, abreviadamente O2 → OH- ) Esta es la reacción más habitual en las aguas naturales. Fe (OH)3 O2 Fe Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 5 b) Agua ácida o agua neutra sin oxígeno disuelto 2H+ + 2e- → H2 (reducción de H+, abreviadamente H+ → H2 ) Fe c) Agua ácida con oxígeno disuelto: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O d) Reducción de cationes de metales más nobles (M n+ ) existentes en la disolución acuosa M n+ + ne → M Productos de Corrosión El ión Fe2+ originado en la reacción anódica, salvo en el caso de medios muy ácidos, no permanece como hierro disuelto (Fe2+) sino que se combina con los iones OH- de la disolución acuosa originando Fe(OH)2. Debido a la presencia de O2 en el agua, ocurren las siguientes reacciones: Fe (OH )2 + 1/4 O2 + ½ H2O → Fe (OH )3 , de color pardo rojizo 3 Fe (OH )3 → Fe2O3 + 3 H2O El óxido ferroso hidratado, FeO – nH2O, o hidróxido ferroso, Fe (OH)2, compone la capa de la barrera de difusión próxima a la superficie del hierro a través de la cual tiene que difundirse el O2 para continuar oxidando al Fe.. El pH del Fe (OH)2, saturado es aproximado a 9,5; es decir, la superficie del hierro que se corroe en agua pura aireada es siempre alcalina. El color del Fe (OH)2, aunque blanco cuando es puro, es normalmente de color verde a negro verdoso debido a la oxidación incipiente que produce el aire. En la cara externa de la película de óxido, el acceso del oxígeno disuelto convierte al óxido ferroso en óxido férrico hidratado o hidróxido férrico, de acuerdo con: Fe (OH)2 + ½ H2O + ¼ O2 → Fe (OH)3, El óxido férrico hidratado es de color anaranjado a rojo oscuro y constituye la mayor parte del orín ordinario. Existe como Fe2O3 α (Hematites) no magnético y como Fe2O3 γ magnética, siendo la forma α más estable. El Fe (OH)3 saturado tiene un pH casi neutro. Entre el Fe2O3 y FeO hidratado es frecuente que se forme una capa intermedia de color negro, de óxido ferroso-férrico hidratado magnético, de fórmula Fe2O3 – nH2O, según esto las películas de herrumbre u orín se componen, por lo general, de tres capas de óxidos de hierro en diferentes estados de oxidación. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 6 1.1.1.2 FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN ACUOSA En relación a la velocidad con que ocurren las reacciones de oxidación y reducción expuestas anteriormente, se pueden hacer las siguientes afirmaciones generales: - La reacción de oxidación o anódica (Fe → Fe2+ + 2e-) es rápida casi siempre. - Las reacciones de reducción son normalmente mucho más lentas que la de oxidación, por ello la velocidad del proceso de corrosión está normalmente determinado por el desarrollo de las reacciones de reducción (control catódico). Los fenómenos que tienden a limitar la velocidad de las reacciones se les conoce también como agentes polarizantes, pudiendo afectar a los procesos de oxidación o de reducción. Los fenómenos que eliminan o atenúan las causas que que limitan la velocidad de las reacciones se les conoce como agentes despolarizantes. Los factores que pueden aumentar o disminuir la velocidad de las reacciones de corrosión en medio acuoso son los siguientes: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Oxígeno disuelto Bacterias anaerobias (medios acuosos sin oxígeno) Temperatura pH Sales disueltas Carácter agresivo o incrustante del agua (Índice de Saturación) Velocidad relativa del agua (Corrosión – Erosión) Cavitación 1. Oxígeno disuelto Para que el hierro o el acero sufran corrosión apreciable en agua neutra o casi neutra, a temperatura ambiente, es necesaria la presencia de O2 disuelto; de lo contrario, la velocidad de corrosión es prácticamente nula. Efecto de la concentración de O2 sobre la corrosión del acero dulce en agua destilada moviéndose con lentitud. Ensayo de 48 h, a 25 ºC Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 7 En la figura anterior se ha representado el efecto de la concentración de O2 sobre la corrosión del acero dulce en agua destilada moviéndose con lentitud. Se observa como inicialmente la velocidad de corrosión aumenta con el contenido de oxígeno en el agua, pero a partir de un determinado valor, esta velocidad disminuye debido a que se forma una capa de óxido protector. Cuando a la superficie del Fe llega más oxígeno que el que se puede reducir por la reacción catódica, el exceso de O2 crea una película de óxido protectora, ya que dificulta la difusión del oxígeno hacia la superficie del metal no oxidada. En el agua destilada, la concentración crítica de O2 por encima de la cual la corrosión decrece otra vez, es aproximadamente 12 ml de O2/1itro. Este valor aumenta con las sales disueltas y con la temperatura y decrece con el aumento de velocidad y el pH. Si se rompe por cualquier causa la película protectora en zonas localizadas se forman pilas que provocarán una fuerte corrosión por picaduras, en particular a temperaturas altas o en presencia de iones de haluros. Cuando la concentración de cloruros es apreciable, por ejemplo en agua de mar, no es posible conseguir la pasividad del hierro y el aumento de la presión del oxígeno sólo conduce a elevar la velocidad de corrosión. 2. Bacterias anaerobias (medios acuosos sin oxígeno) Ver CORROSIÓN_BACTERIAS_ANAEROBIAS en apartado 1.1.3 Corrosión Biológica 3. Temperatura Efecto de la temperatura sobre la corrosión del hierro en agua que contiene oxígeno disuelto Cuando la corrosión está controlada por la difusión del oxígeno hacia la superficie del metal, la velocidad de corrosión se duplica, aproximadamente, por cada 30 ºC que aumente la temperatura, para una oncentración dada de O2. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 8 En un recipiente abierto que permita escapar al oxígeno disuelto, la velocidad aumenta con la temperatura hasta unos 80 ºC y entonces desciende, hasta alcanzar para el punto de ebullición un valor muy bajo, según se muestra en la figura anterior. La disminución de la corrosión por encima de 80 ºC está relacionada con el significativo decrecimiento de la solubilidad del O2 en el agua a medida que aumenta la temperatura, contrarrestando al efecto acelerador propio del aumento de temperatura. En un recipiente cerrado el oxígeno no puede escapar y la velocidad de corrosión continúa aumentando con la temperatura hasta que se agota el O2. Cuando la corrosión tiene lugar con desprendimiento de hidrógeno (2H+ + 2e- → H2 ) , el aumento de velocidad es de más del doble por cada 30 ºC que se eleve la temperatura. Por ejemplo, la velocidad de corrosión del hierro en ácido clorhídrico se duplica, aproximadamente, por cada 10 ºC de aumento de la temperatura. 4. pH En la figura siguiente se representa el efecto del pH sobre la corrosión del hierro en agua aireada y a temperatura ambiente. Efecto del pH sobre la corrosión del hierro en agua aireada y a temperatura ambiente. Para ajustar el pH en las zonas alcalinas y ácidas se empleó NaOH y HCl respectivamente. En la figura anterior aparecen claramente diferenciadas tres zonas: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 9 1) ZONA de pH 4 a 10 La velocidad de corrosión es independiente del pH, y sólo depende de la velocidad con que se difunda el oxígeno hacia la superficie del metal (etapa controlante). En este rango de pH ocurre la mayor parte de los casos de corrosión en los medios naturales (aguas, incluida el agua de mar, y suelos). En esta región, los hechos más destacados son los siguientes: a) La superficie de hierro está cubierta por una capa de óxido ferroso hidratado, cuyo pH observado es aproximadamente 9,5. b) La velocidad de corrosión depende sólo de la velocidad de difusión del oxígeno hacia la superficie catódica disponible. La extensión de la superficie catódica no es en apariencia importante. c) En tanto las reacciones estén controladas por la velocidad de difusión del oxígeno, como ocurre en el caso de pH comprendido entre 4 y 10, la velocidad de corrosión la determinan la concentración de oxígeno, la temperatura y velocidad del agua. Las variaciones de composición de un acero (salvo las excepciones que se mencionarán) , el tipo de tratamiento térmico o si está trabajado o deformado en frío, no afectan a la velocidad de corrosión. Lo anterior implica que si se expone al agua dulce, al agua de mar (o a la mayorías de los suelos) aceros de alto y bajo contenido de carbono, aceros de baja aleación (p. ej., 1 a 2 % de Ni, de Mn o Cr, etc.), hierro maleable o fundido, o acero suave laminado en frío, para unas mismas condiciones (concentración de oxígeno, temperatura y velocidad relativa metal-agua) , la corrosión observada será esencialmente la misma en todos los tipos de aleaciones metálicas anteriormente mencionados. La velocidad de corrosión sólo se reducirá de manera apreciable cuando el acero se alea en las proporciones de un acero inoxidable (> 12 % Cr), o con altos contenidos de níquel o silicio. La fundición en aguas naturales o en el suelo se corroe al principio a la misma velocidad que el acero, pero puede dar una vida de servicio mucho mayor. Aparte del considerable espesor de metal que es común en las estructuras obtenidas por colada en moldes, la fundición presenta la ventaja de que al estar compuesta por una mezcla de ferrita (casi hierro puro) y láminas de grafito, los productos de corrosión originados en algunos suelos y aguas cementan las láminas o nódulos de grafito residual. La estructura que resulta (p. ej., en las tuberías de agua), aunque corroída por completo, puede retener, suficiente resistencia mecánica remanente para continuar funcionando bajo las tensiones y presiones de trabajo requeridas. Este tipo de corrosión, denominada corrosión selectiva grafítica, se produce sólo en la fundición gris (grafito laminar) o en la fundición dúctil (grafito esferoidal), pero no en la fundición blanca (ferrita + cementita). Efectos de la Formación de Pares Galvánicos En el apartado anterior se exponía que las variaciones en la composición del acero no modificaban prácticamente la velocidad de corrosión, salvo en el caso de los aceros inoxidables o con altos contenidos de níquel o silicio. Por el contrario, la composición del acero es de considerable importancia cuando existe acoplamiento galvánico. Por ejemplo, un acero de bajo Ni y Cr es catódico con relación a un acero dulce en la mayoría de los medios naturales. Por ello, los tornillos y tuercas de acero que se emplean para unir tubos subterráneos de acero dulce, o los electrodos de soldadura utilizados para la chapa de acero, deben ser siempre de acero de bajo Cr y Ni o de composición similar que sea catódica con relación a la mayor superficie de la estructura ( interesa cátodo pequeño y ánodo grande). Si por algún motivo ocurriese una inversión de la polaridad se producirán con rapidez graves daños por corrosión en los tornillos o en el área crítica del metal de soldadura. La fundición es inicialmente anódica con relación a los aceros de baja aleación y de potencial no muy diferente del que posee el acero suave. Sin embargo, a medida que la fundición se corroe, en especial si tiene lugar la corrosión grafítica, el grafito expuesto sobre la superficie desvía el Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 10 potencial en dirección noble. Por lo tanto, después de algún tiempo, dependiendo del medio, la fundición puede alcanzar un potencial catódico respecto de los aceros de baja aleación y del acero suave. 2) ZONA de pH > 10 (Zona de elevada alcalinidad) El aumento de la alcalinidad del medio eleva el pH de la superficie del hierro. En consecuencia la velocidad de corrosión disminuye, puesto que el hierro aumenta su pasividad en presencia de álcalis y oxígeno disuelto. Cuando la solución es fuertemente alcalina, pH superior a 14, la velocidad de corrosión aumenta ligeramente. Esto se debe a la formación de ferritos alcalinos solubles. Si la temperatura de la solución alcalina aumenta, caso de las calderas, la corrosión puede llegar a ser elevada. En medios alcalinos, se sabe que el incremento en el contenido de níquel hace disminuir la velocidad de la corrosión de los aceros. 3) ZONA de pH < 4 Los hechos más destacables en este tramo de la curva son: 1) Reacciones de reducción (catódicas): a) Medio acuoso ácido sin oxígeno: 2H+ + 2e- → H2 b) Medio acuoso ácido con oxígeno disuelto: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 11 2) Debido a la acidez del medio, se disuelve la película de óxido ferroso en contacto con el metal, quedando el acero en contacto directo con el medio acuoso, lo cual provoca un aumento considerablemente en la velocidad de corrosión. En ácidos fuertes, como el HCI o el H2SO4, la película de óxido que forma la barrera de difusión sobre la superficie del acero se disuelve por debajo de pH = 4. En ácidos débiles, como el acético o carbónico, la disolución del óxido ocurre a pH más elevado. 3) La difusión del oxígeno limita, pero no determina completamente la velocidad de corrosión, que ahora se establece además en función de la velocidad de desprendimiento de hidrógeno (2H+ + 2e- → H2 ). Esta última, depende a su vez de la sobretensión de H2 de las diferentes impurezas o fases presentes. Debido a que la cementita (Fe3C) es una fase de baja sobretensión de H2, los aceros de bajo carbono se corroen en ácidos a velocidad inferior que los aceros con alto contenido de carbono. Por idéntica razón, el tratamiento térmico, que determina la presencia y tamaño de las partículas de cementita, puede tener un efecto apreciable sobre la velocidad de la corrosión. El acero laminado en frío se corroe con mayor rapidez que el acero recocido o exento de tensiones, debido a que el trabajo en frío produce áreas de baja sobretensión de H2, cuyo origen principal procede del N y C intersticial. 4) El movimiento relativo de los ácidos con respecto al metal provoca un aumento en la velocidad de corrosión, ya que reduce el espesor de la capa de líquido estacionario en contacto con la superficie del metal, lo que permite que se difunda más oxígeno hacia la superficie metálica. De acuerdo con esto, el ritmo de corrosión del acero en presencia de aire en H2SO4 0,004N a una velocidad de 3,66 m/s, es la misma que en ácido 5N a igual velocidad. En reposo, la relación de las velocidades de corrosión en estos ácidos es alrededor de l2. En ausencia de oxígeno disuelto, no se observa ninguna influencia en la velocidad de corrosión por efecto de la velocidad del medio, como se muestra en la figura siguiente, ya que la sobretensión de H2 es insensible a la velocidad del electrolito. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Efecto de la velocidad sobre la corrosión de hierro con 0,009 % de C y acero con 0,24 % C, en H2SO4 0,33N 5) Efecto de los elementos del acero en medios ácidos: - La velocidad de corrosión del acero aumenta con el contenido de carbono y nitrógeno, dependiendo principalmente del tratamiento térmico previo que haya sufrido el acero, y es mayor para los aceros trabajados en frío. - El contenido en fósforo y azufre hace que incremente de manera acusada la velocidad de ataque del acero en ácidos. El efecto de estos elementos es todavía más acusado en los ácidos fuertes. Efecto de adicionar fósforo, azufre y silicio al hierro, sobre la corrosión en HCl 0,1 N desaireado a 25º C. Muestras recocidas. 12 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 13 - El arsénico, que está presente en pequeñas cantidades en casi todos los aceros, incrementa la velocidad de corrosión en ácidos, pero en cantidad mayor del 0,2 % puede volver a disminuir la velocidad. - Los aceros con cobre se corroen menos en los ácidos no oxidantes que los aceros sin cobre. 6) Efecto de la deformación en frío. En medios ácidos, la deformación en frío aumenta notablemente la velocidad de corrosión, como muestra la siguiente figura Efecto del tratamiento térmico de acero trabajado en frio, de 0,11 % C sobre la corrosión en HCl 0,1N desaireado a 25 ºC. Tiempo del tratamiento térmico 2 h. 7) Efectos del tratamiento térmico. En la figura siguiente se ha representado el efecto que produce el tratamiento térmico de un acero al carbono sobre su velocidad de corrosión en ácido sulfúrico diluido. Efecto del tratamiento térmico sobre la corrosión de acero de 0,95 % de C en H2SO4 al 1%. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 14 5. Sales disueltas. 5.1 Sales neutras de metales alcalinos ( NaCl, KCl, LiCl, Na2SO4, KI, NaBr, etc.) Presentan un efecto muy similar al caso del NaCl, que se describe a continuación. La figura siguiente muestra el efecto que la concentración de NaCl ejerce sobre la corrosión del hierro en agua saturada de aire, a temperatura ambiente. Efecto de la concentración de NaCl sobre la corrosión del hierro en soluciones aireadas a temperatura ambiente (datos compuestos, de diversas investigaciones). Se observa que, al principio, la velocidad de corrosión aumenta con la concentración de NaCl y luego decrece, descendiendo su valor por debajo del correspondiente al del agua destilada. La solubilidad del oxígeno en agua decrece continuamente según aumenta la concentración de NaCl, lo cual explica la disminución de la velocidad de corrosión a las concentraciones más altas de NaCl. El aumento inicial de la velocidad de corrosión puede deberse a un aumento de la conductividad de la disolución, y a un cambio en la naturaleza de la capa de óxido protectora. Por encima del 3 % de NaCl, el descenso continuado de la solubilidad del O2 es más importante que las alteraciones de la capa barrera de difusión, y la velocidad de corrosión disminuye. Los cloruros parecen ser algo más corrosivos según el orden Li, Na y K. Los nitratos parecen ser ligeramente menos corrosivos que los cloruros o los sulfatos a bajas concentraciones (0,1 a 0,25 N) pero no necesariamente a concentraciones más altas. 5.2 Sales alcalinas Las sales alcalinas son aquellas que reaccionan con el agua originando disoluciones de pH> 7, por ello su efecto es disminuir la velocidad de corrosión, tal como muestra la curva de velocidad de corrosión en función del pH. En presencia de oxígeno disuelto pasivan al hierro de igual manera que el NaOH, como se muestra en la figura siguiente: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 15 Como ejemplo de estas sales se pueden citar el fosfato trisódico (Na3PO4), el tetraborato sódico (Na2B2O7), el silicato sódico (Na2SiO3) y el carbonato sódico (Na2CO3). Además de favorecer la pasivación del hierro por el oxígeno disuelto, estas sales son capaces de formar capas de productos de corrosión (por ejemplo, el Na3PO4 origina fosfatos ferroso y férrico) que actúan como barreras de difusión más eficientes que el FeO hidratado. 5.2 Sales ácidas Las sales ácidas son aquellas que reaccionan con el agua originando disoluciones de pH < 7, dando lugar a corrosión con desprendimiento de hidrógeno (2H+ + 2e- → H2) a velocidad similar a la de los ácidos correspondientes para el mismo pH. Son ejemplos de estas sales el AlCl3, NiSO4, MnCl2 y FeCl2. El NH4Cl es una sal ácida que produce una velocidad de corrosión mayor que la que corresponde a su pH, para concentraciones de NH4Cl > 0,05 N. El aumento de corrosividad se atribuye a las propiedades de los iones NH4+ para complejar iones de hierro, reduciendo así la actividad de Fe2+ e incrementando la tendencia del hierro a disolverse (corroerse). El nitrato de amonio en concentraciones elevadas es más Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 16 corrosivo (unas ocho veces más) que el cloruro o sulfato, debido en parte al efecto despolarizante de los iones NO3-. 5.3 Sales oxidantes Se dividen en dos grupos: a) Las que son buenos agentes despolarizadores y, por lo tanto, corrosivas, por ejemplo: FeCl3, CuCl2 HgCl2 y NaClO. La manipulación de estas sustancias con equipos metálicos es problemática b) Las que son pasivantes y, por tanto, inhibidoras de la corrosión. Como ejemplos: Na2CrO4, NaNO2, KMnO4 y K2FeO4, entre otras. 6. Carácter agresivo o incrustante del agua (Índice de Saturación) Las aguas naturales contienen gases y sales en disolución, sustancias coloidales, materia orgánica y sólidos en suspensión que influyen sobre sus propiedades corrosivas. El pH de las aguas naturales suele estar comprendido entre 6,0 y 8,5 por lo que su contenido en O2 disuelto es el factor más importante respecto a la velocidad de corrosión. Las aguas dulces naturales contienen sales disueltas de Ca y Mg en diferentes concentraciones, según su origen. Si la concentración de estas sales es elevada el agua se denomina dura y en el caso contrario, blanda. Se sabía muchos años antes de comprender con claridad las causas, que el agua blanda era más corrosiva que el agua dura. Por ejemplo, se observó que un depósito de agua caliente de hierro galvanizado duraba de 10 a 20 años antes de fallar por picaduras con agua de 34 ppm Ca2+ y 157 ppm de sólidos disueltos, mientras que en agua de 5 ppm Ca2+ y 43 ppm de sólidos disueltos un depósito similar duraba sólo 1 a 2 años. El mecanismo de protección que proporciona el agua dura, consiste en la deposición natural de una delgada película-barrera de difusión, compuesta principalmente de carbonato cálcico, CaCO3. Esta película dificulta la difusión del oxígeno disuelto hacia la superficie del metal. En las aguas blandas no se puede formar tal película protectora. La dureza por sí sola no es el único factor que determina si es posible la formación de la película protectora. La facultad del CaCO3 para precipitar sobre la superficie del metal también depende de la acidez o alcalinidad total, del pH y de la concentración de sólidos disueltos en el agua. Langelier en 1936, siguiendo las investigaciones previas de Tillmans y Baylis, dividió las aguas dulces naturales en dos grupos, sobresaturadas con CaCO3 y no saturadas. Puesto que sólo las aguas cuya concentración es casi la de sobresaturación y las sobresaturadas tienden a formar sobre el hierro una película protectora de CaCO3, se estableció estimar la corrosividad del agua según el criterio de sobresaturación y no saturación. Empleando ciertas simplificaciones, Langelier demostró que el valor del Ph (que denominaremos pHs ) al cual el agua está en equilibrio con CaCO3 sólido (no tiende a disolver ni a precipitar CaCO3), se puede calcular por la relación: Ks pHs = log 10 + 2ε - K2 × [Ca] × [HCO 3 ] donde - K2 es la constante de equilibrio de la reacción HCO3- ↔ H+ + CO322− [H + ] × [CO 3 ] K 2 (25º C) = = 10 −10,3 − [HCO 3 ] - Ks es la constante del producto de solubilidad del carbonato cálcico 2− K s (25º C) = [CO 3 ] × [Ca 2+ ] = 10 −8,3 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua - 17 Las expresiones que van entre corchetes indican las concentraciones molares de las sustancias a las que se refieren. 2ε : Este término refleja la influencia de la composición iónica del agua sobre la actividad de las sustancias que aparecen en el cálculo de las constantes de equilibrio anteriores, que simplificadamente se calculan utilizando la concentración molar. Este término se evalúa a través de la siguiente expresión: µ 1 2 donde µ = ∑ Ci × Z i (µ : Fuerza iónica ) ε= 2 1 + 1,4 µ siendo Ci : Concentración molar de cada ion en la disolución acuosa Zi : valencia del ion. Se define el Índice de Saturación como la diferencia entre el valor de pH del agua y el pHs calculado: Is (Índice de saturación) = pH - pHs Según el valor que tome Is, el agua se clasificará en uno de los apartados siguientes: a) Is > 0: Agua incrustante → Tiende a formar películas protectoras de CaCO3 b) Is < 0: Agua agresiva → No se forma o tiende a disolver las películas protectora de CaCO3 c) Is = 0: Agua en Equilibrio→ No forma, ni tiende a disolver las capas protectoras de CaCO3: Las aguas muy sobresaturadas en CaCO3 ( Is >> 0) tienden a depositar precipitados de CaCO3 en el interior de los tubos, reduciendo su capacidad de transporte y, en casos extremos, taponando casi por completo la tubería. Se considera que, a temperatura ambiente, un índice de saturación de +0,5 es satisfactorio, valores más elevados pueden producir una deposición excesiva de CaCO3 (formación de costras o incrustaciones), en particular a temperaturas elevadas, como se muestra en la siguiente figura: Las aguas en que la subsaturación respecto al CaCO3 es alta (Is<<0), tienden a disolver los revestimientos protectores de CaCO3 en las conducciones de transporte y por ello se les considera como “agresivas”. Con objeto de que el índice de saturación tome el valor deseado, las sustancias normalmente empleadas para ajustar la alcalinidad y pH de las aguas son Ca(OH)2, Na2CO3, NaOH, H2SO4, o CO2. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 18 Se suelen utilizar dos procedimientos experimentales para determinar el estado de saturación del agua: 1) Medida del pH del agua antes y después de exponerla al CaCO3 puro en polvo durante un tiempo adecuado para conseguir el equilibrio. Un aumento del pH corresponde a una hiposaturación. Debido a que la composición del agua se altera por la ganancia o la precipitación de CaCO3 durante el ensayo, el pH final no ha de ser necesariamente igual al pHs calculado. 2) Valorar el agua con ácido después de haberla saturado con CaCO3. El aumento del volumen de ácido requerido con respecto al que se necesita para valorar el agua original, es indicación de que el agua no estaba saturada (ensayo del mármol). Ejemplo de Cálculo del Índice de Langelier: Utilizando la nomenclatura expuesta anteriormente, consideremos el caso de un agua al con pH = 6,85 y la siguiente composición: HCO3 SO42ClNO3Ca2+ Mg2+ Na+ K+ - mg / litro 396,5 178,6 304,9 72,5 145,9 83,7 117,6 4,3 Ci mol/litro 0,00650 0,00186 0,00860 0,00117 0,00364 0,00344 0,00511 0,00011 Zi 1 2 1 1 2 2 1 1 La fuerza iónica de la disolución acuosa tiene el valor siguiente: 1 2 ∑ Ci × Zi 2 1 µ = [ (0,00650 + 0.00860 + 0,00117 + 0,00511 + 0,00011) × 12 + (0,00186 + 0,00364 + 0,00344) × 2 2 ] = 0,02862 2 Por tanto : µ= ε= µ 1 + 1,4 µ = 0,02862 1 + 1,4 0,02862 = 0,1368 Ks 10 -8,3 pHs = log10 + 2ε = log10 -10,3 + 2 × 0,1368 = 6,63 + 0,2736 = 6,90 - K2 × [Ca] × [HCO 3 ] 10 × 0,00364 × 0,00650 El índice de Langelier (Índice de Saturación) toma el valor: IS = pH – pHs = 6,85 – 6,90 = -0,05 (< 0 ) → El agua es ligeramente agresiva Obsérvese que de no haberse realizado la corrección +2ε el valor obtenido de pHs habría sido 6,63 y, por tanto, el índice IS = 6,85- 6,63 = 0,22 (> 0). Nos habría conducido a la deducción errónea de que el agua era de carácter incrustante Limitaciones del índice de saturación de Langelier Existen ciertas limitaciones respecto a las conclusiones que pueden deducirse del valor calculado para Índice de Saturación. Así, en las aguas naturales que contienen sílice coloidal y/o materia orgánica, el CaCO3 puede precipitar sobre dichas partículas orgánicas o coloidales en vez de hacerlo sobre la superficie metálica. En estos casos, aunque el I.S. sea positivo, es posible que no se formen capas Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 19 protectoras. En otras ocasiones, un I.S. positivo corresponde a la creación de capas de CaCO3, pero ante la presencia de ciertas sales disueltas, p.ej. Cl-, la capa no es compacta perdiendo su efecto protector. La velocidad de deposición del CaCO3 influye notablemente respecto a la compacidad e impermeabilidad de las capas formadas. Una deposición demasiado rápida conduce a la formación de películas porosas que no tienen carácter protector. El Índice Ryznar es una modificación del Langelier, basada en estudios de las condiciones de incrustación y corrosión realizados en diversos distritos municipales. En el Índice Ryznar, donde IRS = 2pHs - pH, los valores superiores a 6,0 indican que el agua es corrosiva, mientras que los valores inferiores a 6,0 indican que es susceptible de formar incrustaciones. Según NALCO, el Índice Langelier es más útil para predecir tendencias corrosivas o formadoras de incrustaciones en un sistema a gran escala (en el que la velocidad del flujo es lenta), tal como un embalse o instalación de tratamiento o abastecimiento de agua. El Índice Ryznar sólo debe aplicarse a sistemas con gran flujo, en los que el ambiente en las paredes de la tubería es muy distinto del que tiene un sistema a gran escala. 7. Velocidad relativa del agua: Corrosión – Erosión La corrosión con erosión, o corrosión –erosión, consiste en el incremento en la velocidad de deterioro de un metal o aleación cuando presentan un movimiento relativo respecto a un fluido corrosivo. El ataque aumenta al aumentar la velocidad del fluido y se debe al levantamiento, por erosión, de capas protectoras e incluso material metálico como consecuencia del impacto de múltiples partículas de líquido o sólidos transportados.. Si se trata de medios en los que la reacción catódica de corrosión es la reducción de O2, la relación entre pérdida de masa por corrosión- erosión y velocidad de desplazamiento del fluido se ajusta a curvas como la representada en la figura siguiente cuando el fluido no lleva sólidos en suspensión. Relación entre pérdida de masa y velocidad de flujo cuando el fluido no transporta sólidos en suspensión. En una primera etapa (zona de difusión), el fenómeno de corrosión aumenta con la velocidad de flujo a través de una relación habitualmente parabólica, como consecuencia de fenómenos de despolarización catódica al mejorar la llegada de oxígeno hasta las regiones catódicas por generarse corrientes de convección forzada y disminuir el espesor de la capa límite de difusión. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 20 A partir de un cierto valor de velocidad de flujo, aumentos en la velocidad de flujo no modifican apreciablemente los valores de pérdida de material (trazado (a) en la zona de posible formación de películas protectoras). Si se trata de materiales pasivables puede darse la circunstancia de que se formase una capa pasiva estable, curva (b), y la pérdida de masa se reduciría considerablemente. A partir de un cierto valor crítico de la velocidad de flujo comienza el fenómeno de corrosiónerosión, debido a la eliminación por erosión de películas protectoras sobre la superficie metálica y al consiguiente aumento de la corrosión electroquímica de las superficies desnudas. La curva muestra entonces un incremento exponencial de la velocidad de corrosión. Si el fluido transporta sólidos en suspensión, la curva para el caso concreto de los tramos horizontales de la conducción, suele adoptar el trazado siguiente Relación entre pérdida de masa y velocidad lujo cuando el fluido transporta sólidos en suspensión. Velocidad de Corrosión El cambio más significativo respecto a la situación anterior se produce en la zona de difusión, donde la pérdida de masa disminuye al aumentar la velocidad de flujo. Esta circunstancia se debe a a la aparición de fenómenos de aireación diferencial como consecuencia de la sedimentación de sólidos sobre la generatriz inferior en los tramos horizontales la conducción. Cuanto menor es la velocidad del flujo mayor es el fenómeno de corrosión por aireación diferencial entre la zona inferior sobre la que se han depositado los sólidos (pobre del oxígeno, anódica) y el resto de la tubería que se comporta como cátodo. A medida que aumenta la velocidad del flujo va desapareciendo el fenómeno predominante de aireación diferencial. Cuando ocurre el fenómeno anterior, es conveniente, transportar el fluido por encima de un cierto valor umbral de velocidad para evitar la sedimentación. Este valor mínimo depende fundamentalmente de la densidad y granulometría del sólido, pero aproximadamente se sitúa alrededor de 1 m/s. La zona de la curva correspondiente a posible formación de películas no cambia de forma apreciable respecto al caso anterior. Por lo que respecta a la región de aparición de fenómenos de corrosión-erosión, la presencia de sólidos en suspensión aumenta la capacidad erosiva del fluido, para una determinada velocidad de flujo por encima de la crítica. Desde el punto de vista morfológico el ataque por corrosión-erosión toma forma de cavidades o surcos más o menos redondeados orientados en la dirección del flujo, como se muestra en la figura siguiente: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 21 Características morfológicas básicas de los fenómenos de corrosión-erosión. A veces, estas picaduras presentan una forma característica de herradura, similar a la de un caballo que corriese corriente arriba El riesgo de aparición de este tipo de corrosión existe siempre que existan materiales metálicos en contacto con líquidos en movimiento, como es el caso de bombas, válvulas, compresores, álabes de turbinas, etc. La resistencia a la corrosión-erosión de los materiales metálicos depende fundamentalmente de su capacidad para formar capas pasivas adherentes y de las características mecánicas del propio material. En general, la resistencia la corrosión-erosión aumenta con el aumento de la dureza y resistencia a la tracción, siempre y cuando el endurecimiento no se haya logrado por tratamiento térmico, pues las heterogeneidades microestructurales derivadas del mismo, aparición de martensita por ejemplo, reduce la resistencia. La presencia en el electrolito de anión cloruro reduce la resistencia a la corrosión-erosión, ya que disminuyen las velocidades críticas de flujo por encima de las cuales se produce el fenómeno. Los métodos para reducir la corrosión erosión se basan principalmente en: 1) Un diseño adecuado: a) Que no se supere el valor crítico de velocidad, a partir del cual aparecerían fenómenos severos de corrosión. b) Deben evitarse también los cambios bruscos de dirección y reducciones bruscas de sección de la conducción para evitar aumentos locales de la velocidad de flujo y la posible aparición de fenómenos de corrosión- erosión en esas zonas, como se muestra en las figuras siguientes: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 22 Riesgo de aparición de fenómenos de corrosión-erosión en: a) Cambios bruscos de dirección b) Cambios bruscos de sección. 2) Empleo de materiales más resistentes. Por ejemplo, en el caso de aleaciones base cobre conviene utilizar bronces al aluminio. . 8. Cavitación Si el fluido circula desde una zona de presión baja (igual o inferior a su presión de vapor a esa temperatura) hacia presiones más altas, ocurrirá que en las zonas de baja presión se originan burbujas (“cavidades”) de vapor que implosionarán (se colapsarán) en la interfase metal-líquido cuando el fluido llega a una zona donde la presión es suficientemente alta. A este fenómeno se le denomina cavitación. Los efectos de la cavitación se traducen en que la implosión de las burbujas libera energía suficiente para deformar plásticamente el metal subyacente y destruir las películas protectoras, aumentando así la velocidad de corrosión. Los efectos de la cavitación sobre el metal se muestran habitualmente como muchas picaduras juntas, recordando el aspecto de un panel de abejas. El deterioro por cavitación es un fenómeno que puede ocurrir típicamente en el rotor de bombas, en los puntos de contacto de los álabes con el agua que entra al rotor. Asimismo, puede ocurrir a la entrada del difusor en las turbinas hidráulicas (centrípetas) cuando el fluido experimenta una pérdida de presión demasiado elevada al atravesar la turbina. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 23 Procedimientos para evitar los daños por cavitación: 1. Evitar la cavitación: a) En el caso de las bombas, operando la bomba de forma que la presión de aspiración sea lo suficientemente elevada como para que el NPSH disponible sea superior al NPSH requerido por la bomba para el caudal considerado, según las curvas del fabricante. Para que se cumpla la condición anterior es preciso que la instalación se diseñe correctamente, y que en la operación de las bombas no se introduzcan pérdidas de carga no previstas en la aspiración, por ejemplo el cierre parcial de las válvulas de aspiración de las bombas. b) En el caso de las turbinas centrípetas, se evitará cerrar demasiado el distribuidor, para evitar una pérdida de carga excesiva del fluido al atravesar la turbina. c) En el caso de las válvulas, no deben cerrarse excesivamente para regular caudal, ya que en la estrangulación se puede producir cavitación debido a la caída de presión. 2. Si se asume que el equipo va a funcionar con cavitación: a) Utilizar materiales resistentes a la cavitación, como los aceros inoxidables austeníticos y ferríticos, los bronces al aluminio y las superaleaciones de base cobalto. b) Los revestimientos de goma, neopreno o elastómeros similares, proporcionan una elevada resistencia a esta clase de daños. c) Se ha comprobado que la aireación del agua sirve para amortiguar el daño causado por la implosión de las burbujas sobre la superficie metálica. Resistencia a la cavitación de varios metales, en ensayos de laboratorio con agua de dulce a temperatura ambiente. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 24 1.1.2 CORROSIÓN DE METALES ENTERRADOS Actualmente existen muchas las toneladas de metal, como tuberías y estructuras metálicas diversas, en contacto con el terreno. El subsuelo es considerado el medio corrosivo de mayor complejidad, ya que existen numerosas variables que influyen su corrosividad, como son las diferencias de granulometría, compactación, humedad, contenido en sales solubles, grado de aireación, acidez o alcalinidad, presencia de materia orgánica y bacterias, entre las más importantes. Se consideran los siguientes apartados: 1.1.2.1 MECANISMOS DE CORRIÓN EN METALES ENTERRADOS 1.1.2.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN DE LOS MATERIALES ENTERRADOS 1.1.2.3 COMPORTAMIENTO DE DIFERENTES METÁLES ENTERRADOS ANTE LA CORROSIÓN. 1.1.2.1 MECANISMOS DE CORROSIÓN EN METALES ENTERRADOS Los fenómenos de corrosión de los metales enterrados son casi siempre de naturaleza electroquímica. El terreno, con sus heterogeneidades, y el metal, con sus imperfecciones superficiales, originan sobre la superficie metálica zonas anódicas y catódicas. El suelo que está en contacto con el material metálico actúa como electrolito, debido a la humedad y a las sales solubles que contiene. Asociadas al proceso electroquímico de corrosión, existirá como siempre una reaccion anódica de oxidación del metal, y una reacción catódica consistente en la reducción del O2 en medios neutros o alcalinos, o reducción de protones ( H+) en medios ácidos. Para el caso del acero tenemos: REACCIÓN ANÓDICA Disolución (oxidación) del metál: Fe → Fe2+ + 2 e - El ion Fe2+ salvo en el caso de suelos muy ácidos, no existe como hierro disuelto sino que se combina con los iones oxhidrilo para dar Fe(OH)2, el cual se oxida a Fe(OH)3 en presencia de oxígeno. A veces, si se trata de suelos fácilmente permeables al oxígeno atmosférico, como los suelos arenosos con bajo contenido en humedad, la pasivación del hierro dificulta o impide el proceso anódico. Por el contrario, la presencia de iones Cl- favorece la reacción anódica, al interferir en la pasivación. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 25 REACCIONES CATÓDICAS: - En medio aireado neútro o ligeramente alcalino O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH- En medio ácido: 2H+ + 2e- → H2 La reacción catódica habitual en los suelos es la reducción de oxígeno con formación de iones OH-. Sólo se produce la descarga de iones H+, con formación de hidrógeno gaseoso, cuando la acidez del terreno es excepcionalmente grande, como ocurre con algunos suelos pantanosos. MICROPILAS Y MACROPILAS DE CORROSIÓN - MICROPILAS DE CORROSIÓN Se utiliza el término “micropila” cuando las zonas de oxidación (ánodos) y las zonas de reducción (cátodos) están muy próximas En una estructura metálica enterrada existen micropilas de corrosión debidas a zonas con diferente potencial redox por heterogeneidades a la estructura heterogénea del metal, como son las siguientes: - Fases metálicas distintas. - Presencia de inclusiones no metálicas. - Constituyentes distintos, como es el caso del grafito y de la ferrita en la fundición gris, y de la ferrita y cementita en los aceros. - Diferencia de orientación entre granos contiguos del metal. - Diferente reactividad de los bordes de grano frente al interior del mismo. En la siguiente figura se muestra una representación esquemática de la existencia de micropilas en una superficie metálica Zonas Catódicas Zonas Anódicas Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 26 - MACROPILAS DE CORROSIÓN Se utiliza el término “macropila” cuando las zonas de oxidación (ánodos) y las zonas de reducción (cátodos) están relativamente distanciadas. En una estructura enterrada se pueden originar macropilas de corrosión cuando se presentan las siguientes circunstacias: - Heterogeneidad estructural del suelo (estratatos de diferente composición). - Heterogeneidades locales del suelo - Diferencias de compactación o de humedad. Aquellas zonas más húmedas o más compactadas, en las que el acceso de oxígeno está más dificultado, serán anódicas y se corroerán, mientras que las zonas más ricas en oxígeno serán catódicas y no sufrirán ataque. - Presencia de cascarilla de laminación sobre el metal. - Discontinuidades en los recubrimientos o capas protectoras. - Unión con continuidad eléctrica entre metales distintos (por ejemplo, unión de tuberías de cobre con tuberías de acero galvanizado). Las macropilas tienen su origen en la mayoría de los casos, en dos tipos de fenómenos: 1) Aireación diferencial 2) Diferencias de salinidad. 1) Macropilas de aireación diferencial: Las situaciones que usualmente originan macropilas por aireación diferencial son los siguientes: 1.1) La estructura metálica enterrada (por ejemplo, una tubería) atraviesa zonas con diferente concentración de oxígeno: terrenos con diferente grado de aireación, diferente permeabilidad, diferente compactación, etc. En estos casos, en las zonas más oxigenadas ocurrirá la reducción del oxígeno (zonas catódicas) a costa de los electrones procedentes de las zonas pobres en oxígenos que es donde el metal pasa a forma iónica, corroyéndose (zonas anódicas).. Ejemplo 1: Tubería enterrada que discurre en un terreno arenoso, suelto y aireado, pasando a continuación por unos estratos arcillosos más compactos, con menor de porosidad , gran capacidad de retención de humedad y, por tanto, mucho menos permeables al oxígeno. La zona arenosa será zona catódica, y la tubería tenderá a corroerse bajo los estratos arcillosos (zona anódica). Ejemplo 2: Se construye una carretera sobre una zona donde hay una tubería enterrada. Debido a la mayor compactación e impermeabilidad del terreno bajo la carretera, penetra menos oxígeno, convirtiéndose esa zona en anódica. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua TERRENO ANODICO MENOR POTENCIAL OXIDANTE -Menor concentración de O2 -Terreno arcilloso -Mayor compactación -Menor aireación TERRENO CATÓDICO MAYOR POTENCIAL OXIDANTE - Mayor concentración de O2 -Terreno arenoso -Menor compactación -Mayor aireación 2Fe2+ 4OHO2 H2O + O2 (ac) pH ≅ 7 4e Fe 4e- → - TUBERÍA 27 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 28 1.2) Cuando se realiza una zanja para situar allí una conducción y a continuación se rellena para enterrarla, se alteran las condiciones del terreno original. La compactación de esta región es inferior a la de su entorno y, por tanto, la permeabilidad a los agentes agresivos, fundamentalmente O2 y H2O, mayor. Además, la humedad en la zona de asiento de la tubería suele ser mayor, por facilitarse allí los fenómenos de condensación capilar, lo que origina en general mayor ataque en esta región, como se representa en la figura siguiente. O2 CAPA SUPERIOR (Catódica) -Menor compactación -Mayor aireación. -Más O2 4OH- H2O + O2 (ac) pH ≅ 7 4e- 4e- TUBERÍA ENTERRADA Fe Fe CAPA INFERIOR (Anódica) -Mayor compactación -Menor aireación. - Menos O2 2Fe2+ En ocasiones, puede interesar girar la tubería 180º después de un cierto tiempo. 2) Macropilas de concentración salina Se originan cuando la estructura metálica enterrada atraviesa zonas de terreno con diferente concentración salina (por ejemplo, estratos del terreno con diferente composición). Puesto que la concentración de los iones existentes en el terreno afecta al valor de su potencial redox (Ec. Nernst), allí donde el potencial de reducción sea menor ocurrirá la oxidación (zona anódica) y en las zonas donde el potencial de reducción sea más elevado ocurrirá la reducción (zonas catódicas). Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 29 INFLUENCIA DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO En terrenos resistivos la fuerte caída óhmica a través del medio impide el funcionamiento de macropilas, donde ánodo y cátodo aparezcan separados por una distancia significativa. En estas condiciones el mecanismo de corrosión es a través de micropilas originadas por heterogeneidades en el propio metal o en el medio en su contacto, donde ánodos y cátodos aparecen muy próximos. El resultado es un ataque más o menos generalizado sobre toda la superficie, que no suele ser muy severo. Por este motivo, los terrenos resistivos se consideran poco agresivos. Por el contrario, si el terreno es conductor es posible el funcionamiento del circuito electroquímico entre zonas anódicas y catódicas separadas por una distancia que puede ser considerable. . FENÓMENOS DE CORROSIÓN POR PICADURA EN ESTRUCTURAS METÁLICAS ENTERRADAS En ocasiones el fenómeno de corrosión en estructuras enterradas se localiza mucho apareciendo en forma de picaduras. Esta forma de ataque suele aparecer simultáneamente con formas de corrosión más o menos generalizadas. La aparición de picaduras puede deberse a distintas circunstancias como son: - Fenómenos muy locales de aireación diferencial - Fallos muy locales en revestimientos como poros o pequeñas grietas - Zonas de salida de corrientes vagabundas de superficie muy restringida. - Efecto de aniones agresivos como el anión cloruro en suelos cercanos al mar. 1.1.2.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN DE LOS METALES ENTERRRADOS En la mayoría de los suelos naturales, la velocidad de corrosión de los metales enterrados está determinada por la velocidad de transporte de oxígeno hacia la superficie del metal, que posibilita la reacción de reducción o catódica (O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH-). Los factores que facilitan el acceso del oxígeno hacia la superficie metálica aumentando la velocidad de corrosión son: - Suelos con granulometría gruesa. Por el contrario, los suelos con alta proporción de finos, como los arcillosos, retardarán más la difusión gaseosa. - Debido a ser inversa la relación entre agua y concentración de oxígeno en el suelo, cuando éste se seca crece la velocidad de difusión del oxígeno. Cuando alternan las condiciones de sequedad y humedad, se favorece la formación de pilas de concentración de oxígeno y, por tanto, la corrosión. La profundidad a que esté enterrada la estructura y las condiciones de drenaje, son factores de importancia para la penetración del oxígeno. - En ciertos casos se origina una capa calcárea sobre la superficie del metal, que dificulta el ataque corrosivo. Esta capa se forma por precipitación de CaC03 sobre las zonas catódicas. - El relleno de las zanjas se hace, a veces, con escombros, lo cual puede agravar el problema de corrosión, ya que tales materiales pueden contener gran concentración de sulfatos, sobre todo cuando provienen de derribos. En cualquier caso, aumenta la heterogeneidad de los materiales que envuelven a la estructura. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 30 A continuación se expondrán individualmente los factores del terreno que determinarán la velocidad de corrosión de las estructuras metálicas enterradas. Son los siguientes: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. Distribución granulométrica. Porosidad. Humedad Salinidad Resistividad Materia Orgánica pH Acciones biológicas Potencial Redox Presencia de corrientes vagabundas Relación general entre el tipo de terreno y su corrosividad Índice general de corrosividad 1. Distribución Granulométrica. Porosidad. Los suelos son, en general, sistemas trifásicos constituidos por un esqueleto de partículas sólidas, rodeado de espacios huecos interconectados, que pueden estar ocupados por aire o agua. La porosidad del terreno se define como el cociente entre el volumen de huecos y el volumen aparente total de una muestra del suelo considerado Dado que la porosidad y muchas propiedades de los suelos están relacionadas con la distribución granulométrica (distribución de tamaños) de las partículas sólidas que lo componen, resulta conveniente precisar la termilogía normalmente usada: Arcillas Limos 2 µm 60 µm Arenas Gravas 2.000 µm La mayor parte de los suelos naturales contienen porciones significativas de dos o más fracciones de tamaño pero, como orientación general, se puede afirmar: a) Los suelos predominantemente arenosos poseen partículas “gruesas”, por lo que su porosidad es relativamente alta. En consecuencia, resultan bien aireados, permeables, secos, de alta resistividad y poco agresivos en general. b) Los suelos predominantemente arcillosos, contienen partículas de tamaño coloidal, siendo su porosidad inferior a la de los suelos arenosos. Se caracterizan por ser poco permeables (retienen la humedad), resultando húmedos, conductores. El hecho de que retengan la humedad implica que se dificultan el paso del oxígeno mucho más que en el caso de los suelos arenosos. 2. Humedad Se denomina humedad de un suelo al cociente entre el peso del agua y el peso del suelo seco o peso de las partículas sólidas.La humedad del suelo se obtiene por diferencia entre pesadas: pesando una cantidad de tierra, desecándola a una temperatura entre 105 y 110 ºC, y volviéndola a pesar. El grado de humedad del terreno se halla relacionado fundamentalmente con la granulometría y el clima, determina el espesor de la película de electrolito que se halla en contacto con el material metálico. - En un suelo seco la corrosión es casi inexistente, debido a que prácticamente no existe película húmeda conductora sobre la superficie metálica; la intensidad de corrosión es muy baja debido a la elevada resistencia que ofrece el electrolito, casi inexistente. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 31 - En un suelo saturado de agua, la reacción de reducción (O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH-) está limitada por la pequeña cantidad de oxígeno que puede disolver el agua y la dificultad de transporte del oxígeno a través de la masa acuosa del terreno hasta la superficie del metal. En estas condiciones, la reacción de reducción determina la velocidad del proceso de corrosión, que será poco importante salvo que existan bacterias reductoras de sulfatos, las cuales, bajo determinadas circunstancias, pueden originar un importante incermento de la velocidad de corrosión. De lo anteriormente expuesto se deduce que, en relación al efecto de la humedad, los suelos con un contenido intermedio de humedad presentan la situación más favorable para el desarrollo de los procesos de corrosión. Se ha observado que las velocidades de corrosión más elevados ocurren cuando la relación humedad/porosidad es aproximadamente igual a 0,5. 3. Salinidad Muchos terrenos son resultado fundamentalmente de los minerales procedentes de la disgregación de las rocas preexistentes. Según fuesen las rocas originales así será también el terreno resultante. Además, a estos suelos originales se les incorporan otros muchos productos, como materia orgánica, abonos químicos, contaminación industrial o doméstica, etc., con lo cual las características primitivas del suelo pueden cambiar extraordinariamente. Los suelos que se forman únicamente a partir de la disgregación de las rocas están constituidos principalmente por sílice, silicatos simples o complejos de distintos metales ( Ca , Mg, etc.), óxidos de Al y Fe, carbonatos de Ca y Mg; etc., que son insolubles. Hay ciertas sales que aunque existen pequeña proporción, se disuelven en agua provocando un fuerte aumento de la conductividad del terreno, tal es el caso de las sales que liberan cationes Na+, K+, Ca2+, Mg2+, aniones como el Cl- y SO42-, además de los bicarbonatos que se forman a partir de los carbonatos cuando estos se hallan en presencia de anhídrido carbónico. De todos los iones anteriormente mencionados, los más peligrosos desde el punto de vista de la corrosión son los Cl- y SO42- . - Los Cl- a partir de pequeñas concentraciones (10 ppm de Cl- para el hierro y el acero) pueden romper la pasividad de los metales debido a su poder de penetración a través de las capas protectoras. A partir de un valor umbral en Cl-, se aprecia una sensible proporcionalidad entre la intensidad de la corrosión y la concentración en ion cloruro . - Los SO4= son imprescindibles para que pueda ocurrir la corrosión bioquímica por bacterias reductoras de sulfatos. Según estudios realizados, son suficientes 200 ppm del ion SO4= para activar la corrosión en suelos anaerobios. (Véase CORROSIÓN_BACTERIAS_ANAEROBIAS en apartado 1.1.3 Corrosión Biológica) 4. Resistividad La resistividad es la variable que más se ha usado para relacionarla con la corrosividad del terreno. La resistividad está íntimamente relacionada con la humedad y el contenido en sales del terreno, pudiendo variar notablemente con las estaciones del año, la pluviosidad, la actividad agrícola e industrial, etc. Por ejemplo, un suelo arcilloso con un 5% de humedad puede presentar una resistividad de 10.000 Ohm-m, en cambio, con un 20% de humedad, la resistividad disminuye hasta 100 Ohm-m. En general, los suelos húmedos y conductores son más corrosivos que los secos y resistivos. + En suelos con acidez insuficiente para liberar hidrógeno (2H + 2e → H2), y cuando no es de esperar la corrosión anaerobia, puede utilizarse es siguiente criterio de corrosividad del suelo en función de su resistividad: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Resistividad en Ω.cm <900 900 – 2.300 2300 – 5000 5000 –10.000 > 10.000 32 corrosividad del suelo Muy corrosivo Bastante corrosivo Moderadamente corrosivo Ligeramente corrosivo Muy ligeramente corrosivo 5. Materia Orgánica La materia orgánica está presente, en mayor o menor proporción, en la composición de todos los suelos. Procede de muy diversas fuentes como abonos orgánicos, restos de vegetales o animales, filtraciones de las redes de alcantarillado, etc. En términos generales, la existencia de materia orgánica conduce a la acidificación del medio ya que, o bien el sistema es aerobio y el CO2 producido como consecuencia de la respiración celular genera ácido carbónico, o bien, en los procesos anaerobios, se generan ácidos orgánicos, por oxidación incompleta de la materia orgánica. 6. pH Habitualmente los suelos presentan pH neutro o alcalino (por ejemplo, suelos con componentes calizos), aunque pueden adquirir pH ácido por varios motivos: 1) Formación de H2CO3 a partir del CO2 disuelto (procedente de la respiración de los microorganismos presentes) y agua 2) Descomposición anaerobia de la materia orgánica presente (humus) que genera ácidos orgánicos. Reacciones de Corrosión según el pH del terreno: a) Reacción anódica (oxidación del metal): M → M n+ + neb) Reacciónes catódicas: - En la inmensa mayoría de los casos, el pH del suelo estará comprendido entre 5,0 y 8,0 por lo que la reacción de captación de electrones (reducción) predominante será: O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH- (suelos aireados) La velocidad de corrosión no variará prácticamente, aunque el pH se mueva en el rango considerado. - En un suelo muy ácido (pH ≤ 4,0) la reacción catódica puede llegar a ser la reducción de H+ (2H+ + 2e- → H2). Sin embargo, este grado elevado de acidez no suele ser frecuente, salvo si los suelos contienen gran proporción de materia orgánica (terrenos pantanosos) o en los terrenos piritíferos. - En suelos muy alcalinos (pH > 8,5) puede darse corrosión de metales anfóteros, como Al, Zn y Pb, que se disolverían formando aniones solubles (ferritos, ferratos, cincatos o aluminatos. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 33 7. Acciones biológicas La corrosión por bacterias en medios anaerobios es, con gran diferencia, la más grave de las originadas por los microorganismos, siendo el origen de importantes daños en tuberías y otras estructuras metálicas enterradas. Entre los microorganismos anaerobios destacan, por su importancia en la corrosión del hierro y del acero, las bacterias sulfatoreductoras del tipo "desulfovibrio desulfuricans”. (Véase CORROSIÓN_BACTERIAS_ANAEROBIAS en apartado 1.1.3 Corrosión Biológica) 8. Potencial Redox La medición del potencial redox tiene su principal aplicación por servir como indicación del riesgo de corrosión en medios anaerobios. El valor de potencial redox está determinado fundamentalmente por el contenido de oxígeno existente en terreno (aireación del terreno), el grado de humedad y la temperatura. Las variaciones de pH del terreno parecen influir muy poco. En un medio anaerobio, si se conoce el pH y el potencial redox, puede predecirse el riesgo de corrosión por bacterias anaerobias sulfatorreductoras, que es considerado como uno de los casos más peligrosos de corrosión biológica. Para un terreno cuyo contenido en sulfatos sea apreciable, si su pH se halla comprendido entre 5,5 y 8,5, la información del cuadro siguiente es una guía fiable del riesgo de corrosión anaerobia por bacterias sulfatorreductoras: Potencial Redox Riesgo de corrosión anaerobia Severo < 100 mV Moderado 100 - 200 mV Ligero 200 - 400 mV Nulo > 400 mV Los valores de potencial redox del cuadro anterior son relativos al electrodo estándar de hidrógeno. 9. Presencia de corrientes vagabundas Corrientes vagabundas son aquellas corrientes eléctricas que circulan en el terreno fuera de los circuitos previstos, debido a defectos de aislamiento de los conductores. La intensidad de estas corrientes suele ser variable, dependiendo del funcionamiento de la fuente que las emite (equipos de tracción eléctrica del ferrocarril, subestaciones transformadoras, equipos de soldadura, etc.). Como se ha mencionado anteriormente, a causa de defectos de aislamiento de los conductores eléctricos, una pequeña parte de la corriente que transportan se deriva a través terreno, circulando preferentemente por los trayectos que menor resistencia ofrecen, como son las tuberías y otras estructuras metálicas enterradas. La corrosión de una estructura metálica atravesada por una corriente eléctrica, ocurre siempre en los lugares por donde penetran los electrones en la estructura metálica, lo cual equivale a las zonas de salida de la corriente eléctrica circulando en sentido convencional. La corrosión que provocan es tanto más intensa cuanto mayor es la magnitud de la corriente y cuanto menor sea la zona de penetración de los electrones en la estructura. En la figura siguiente se muestra esquemáticamente el fenómeno de corrosión por corrientes vagabundas, en un caso extremo en el que toda la intensidad de la fuente se circula a través del terreno: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua _ _ + + - e eeZona de Reducción O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH- 34 e e- Fe 2+ Fe 2+ Fe eFe CORROSIÓN (Zonas anódicas) e- Zona de Reducción O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH- En el siguiente cuadro se muestra de forma orientativa una clasificación de los efectos corrosivos de las corrientes vagabundas en función del gradiente de potencial existente en el terreno: Gradiente de Potencial Características Corr. vagab. débiles menos de 0,5 mV/m Corr. vagab. medianamente intensas 0,5 - 5 mV/m Corr. vagab. intensas más de 5 mV/m Cuando se producen fugas de corriente alterna por el terreno, podría parecer que no ocurren fenómenos de corrosión como los descritos, ya que las distintas zonas de la estructura metálica enterrada actuarían como ánodo o cátodo alternativamente, siguiendo los ciclos de la corriente alterna. Sin embargo, la experiencia demuestra que el efecto corrosivo no es nulo, sino que alcanza del orden del 40 al 50 % del correspondiente a una fuga de corriente continua de la misma magnitud. Medidas de protección frente a las corrientes vagabundas: - Mantener un aislamiento adecuado de los circuitos eléctricos, para evitar fugas de corriente - Introducir materiales aislantes entre los tramos que forman la estructura metálica enterrada (por ejemplo, en las zonas de unión de las tuberías metálicas de una conducción enterrada) para aumentar su resistencia al paso de la corriente eléctrica. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 35 10. Relación general entre el tipo de terreno y su corrosividad Se muestra en la siguiente figura: - Por lo general, los suelos arenosos, margo-arenosos, margo-calcáreos y calcáreos no son agresivos; los suelos arcillosos en algunas condiciones son agresivos. Los que son agresivos de por sí son las turbas, los humus libres de cal y también los suelos cenagosos y de aluvión. - Los suelos artificiales, esto es los formados por escorias y basuras, elementos en putrefacción y residuos humanos e industriales también son agresivos. - Los suelos corrosivos están caracterizados por mostrar baja resistividad, así como altos contenidos en sales solubles y humedad. Los suelos de pH neutro y donde el oxígeno atmosférico penetra difícilmente (suelos arcillosos o turbosos) son propensos al desarrollo de bacterias sulfatoreductoras. - Los suelos bien aireados no son, por lo general, corrosivos, aunque la aireación diferencial puede favorecer la corrosión. - - Los suelos con alta resistividad no suelen ser corrosivos. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 36 11. Índice general de corrosividad En la bibliografía se encuentran correlaciones de la corrosividad general del terreno relacionándola con todos los parámetros que pueden intervernir en la velocidad de corrosión. En el siguiente cuadro se muestra una de estas correlaciones: El conocimiento de la corrosividad del terreno es fundamental para prever adecuadamente los materiales y medios de protección que se han de utilizar. 1.1.2.3 COMPORTAMIENTO DE DIFERENTES METALES ENTERRADOS ANTE LA CORROSIÓN Los metales enterrados muestran un comportamiento muy distinto según sean las características de agresividad que presente el suelo en que se hallan. Se han realizado numerosos estudios relativos a los metales más extensamente utilizados (Fe, Pb, Cu, Zn y Al) en la fabricación de tuberías de conducción de agua, gas y productos petrolíferos, enterrados en suelos diversos. Los resultados más significativos se exponen a continuación. 1) Fundición de Hierro Comparando la fundición gris con la dúctil, se obtiene mejor comportamiento con la fundición dúctil, siendo del orden de 0,76 la relación entre la penetración de la corrosión fundición dúctil respecto a la fundición gris. El efecto de pequeñas cantidades de elementos aleantes (Cr, Ni, Cu y Si) a la fundición aumenta muy poco su resistencia a la corrosión en suelos débilmente agresivos. En los suelos muy agresivos la Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 37 fundición sufre una corrosión apreciable, tanto del tipo corriente como grafitización. La grafitización es un tipo de corrosión selectiva, que se da especialmente en la fundición gris en ciertos suelos agresivos y se traduce en que la ferrita es atacada mientras que el grafito queda inalterado. El aspecto final del metal muestra una superficie lisa, sin que ocurra un aumento importante de volumen; sin embargo, la fundición se ha transformado, en las zonas afectadas, en un material blando sin apenas resistencia mecánica, tan blando que puede llegar a cortarse con un cuchillo. En ocasiones se detectan simultáneamente, en la fundición de hierro, grafitización y corrosión por bacterias sulfatorreductoras. Tubería de fundición, de 9 mm de espesor, con fuerte corrosión y una picadura perforante. 2) Aceros - Aceros al carbono: Se encuentra que la velocidad de corrosión del acero al carbono es ligeramente menor que la de la fundición dúctil. - Aceros inoxidables: Los aceros inoxidables, con o sin níquel, son mucho más resistentes a los suelos que los aceros al carbono. Los aceros al Cr-Ni, como el tipo AISI 304, dan lugar a picaduras poco profundas, mientras que los que llevan molibdeno, como el tipo 316, apenas sufren ataque por picaduras. - Acero Galvanizado: En ensayos realizados con acero galvanizado en diferentes tipos de suelo, con pH comprendido entre 3,1 y 9,5, se ha visto que fallaban en un plazo de 10 años los recubrimientos menores de 600 g/m2, mientras que los de 900 g/m2 permanecían en buen estado en la mitad de los suelos ensayados. Sólo un tipo de suelo originó picaduras en el metal base del galvanizado con 900 g/m2. Se han ensayado tubos galvanizados con 900 g/m2 de cinc en muy diversos medios, observando ataques del revestimiento comprendidos entre 0,3 y 1,5 g/m2 - día. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 38 3) Cobre y sus Aleaciones Los ensayos realizados con tubos de cobre y aleaciones de cobre, enterrados en numerosos suelos a lo largo de 14 años, muestran que la mayoría de los suelos son ligeramente corrosivos frente al cobre y sus aleaciones. Sin embargo, se observa ataque importante en suelos turbosos y en aquellos que contienen cenizas, así como en algunos suelos arcillosos. En el caso de los latones se produjo descincificación en bastantes suelos, mientras que la corrosión del cobre, en dichos medios, era muy ligera. 4) Aluminio El comportamiento del aluminio frente a la corrosión es muy distinto de unos suelos a otros. Por lo tanto, es recomendable realizar ensayos previos, con el suelo de que se trate, ya que no se suelen encontrar clasificaciones de los suelos en relación a su acción corrosiva sobre el aluminio. En el caso de una tubería de aluminio instalada sin protección catódica, en un terreno salobre-pantanoso, se vio que sufría perforación en el plazo de 1 año. Se recomienda que el aluminio, que vaya a estar en contacto con el suelo, se proteja adecuadamente, a no ser que se tenga experiencia suficiente, en el sentido de poder usarlo desnudo. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 39 1.1.3 CORROSIÓN BIOLÓGICA La corrosión biológica es un tipo de corrosión electroquímica originada o acelerada por la presencia de organismos vivos en el medio acuoso. La importancia económica de la corrosión biológica es considerable, habiéndose estimado que aproximadamente en el 50 % de los casos de corrosión en estructuras enterradas han intervenido de forma primordial los microorganismos presentes en el medio. Como consecuencia de los procesos biológicos se originan numerosos productos: CO2, H2O, H2, N2, amoniaco, agua oxigenada, azufre, etc. y productos ácidos o alcalinos. Todos estos sustancias se acumulan en el medio, modificando de forma continua su composición. Se consideran los siguientes apartados: 1.1.3.1 CORROSIÓN MICROBIOLÓGICA 1.1.3.2 PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN MICROBIOLOGICA . 1.1.3.1 CORROSIÓN MICROBIOLÓGICA La corrosión microbiológica está provocada por microorganismos, fundamentalmente bacterias, hongos y microalgas. Cuando estos los microorganismos se ubican en la interfase entre el metal y el medio agresivo, pueden originar aumentos de la velocidad de corrosión de entre 3 y 5 órdenes de magnitud. Son susceptibles al ataque microbiológico el hierro y el acero, el aluminio y sus aleaciones, el cobre, el cinc y el plomo y sus aleaciones entre otros. Los medios microbianos son casi siempre sistemas fuertemente reductores. Su actividad metabólica sólo es posible gracias a la energía suministrada por la oxidación de los elementos nutritivos, originando condiciones reductoras en el medio. Consideraremos los siguientes aspectos en relación a la corrosión microbiológica: - Bioensuciamiento (Biofouling) - Principales microorganismos que participan en los fenómenos de corrosión microbiológica - Corrosión por bacterias aerobias - Corrosión por bacterias anaerobias Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 40 1) Bioensuciamiento (Biofouling) Las colonias de microorganismos situadas sobre las superficies metálicas húmedas, y los productos derivados de su metabolismo o descomposición, dan lugar a biopelículas microbianas que constituyen el denominado bioensuciamiento o biofouling. El desarrollo de estas biolpelículas es muy rápido (1 sola bacteria puede transformarse en una colonia de 1 millón en unas 10 horas) alcanzando espesores del orden de las 250 micras, por la acumulación de aproximadamente 1 millón de bacterias u otros microorganismos por centímetro cuadrado. Aparte de originar o catalizar los procesos de corrosión, el biofouling puede originar una reducción muy considerable del coeficiente de transferencia de calor en los tubos de un intercambiador, así como un aumento del coeficiente de fricción de la pared de la tubería con el fluido, disminuyendo la la capacidad de transporte de los conductos. 2) Principales microorganismos que participan en los fenómenos de corrosión microbiológica En el cuadro siguiente se describen los microorganismos más habitualmente ligados a procesos de corrosión, así como las condiciones fisicoquímicas necesarias para su proliferación. Algas: - Como consecuencia de su actividad fotosintética aportan O2 al medio y al mismo tiempo reducen el contenido de CO2 provocando un aumento en el pH del medio. - Generan productos corrosivos como consecuencia de su metabolismo y descomposición. Hongos: - Son aerobios, precisando O2 para su desarrollo. Los medios ácidos y poco húmedos facilitan también su existencia. - Aportan al medio productos corrosivos, consecuencia de su metabolismo: ácidos cítrico, oxálico, glucónico. Muchos ácidos orgánicos producidos por hongos son corrosivos frente a los metales Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 41 Bacterias: En los medios acuosos (aguas naturales o residuales, suelos, etc.) existe gran variedad de bacterias diferentes, sin embargo, sólo unas pocas tienen interés desde el punto de vista de la corrosión. Las bacterias más comunes se desarrollan a potenciales redox próximos o inferiores a 0 mV y con pH comprendido entre 6 y 9. Cuando en el medio existen aportes nutritivos suficientes, las bacterias entran rápidamente en actividad, multiplicándose y metabolizando diferentes sustancias. Sus procesos metabólicos ocasionan la disminución del potencial redox, favoreciendo los procesos de corrosión. Las bacterias se clasifican como aerobias y anaerobias, según que necesiten de la presencia o de la ausencia de oxígeno para su supervivencia. 3) Corrosión Por Bacterias Aerobias Desde el punto de vista de la corrosión, nos centramos en dos grupos de bacterias aerobias: las bacterias ferruginosas y los thiobacillus. - Bacteria Ferruginosas. Están muy extendidas en la naturaleza; siendo habitual encontrarlas en gran abundancia en aguas que contienen sales ferrosas disueltas. La más conocida es la Gallionella. Las bacterias ferruginosas se caracterizan porque oxidan el Fe2+ a Fe3+, ya que a través de su metabolismo catalizan la reacción: 4 Fe (HCO3)2 + 2 H2O + O2 → 4 Fe (OH)3 + 8 CO2 + energía El Fe(OH)3 resultante queda acumulado alrededor de sus células (adeherido a las secreciones muciláginosas de estas bacterias), originando precipitados de Fe(OH)3 que forman concreciones en forma de tubérculos muy juntos. La parte exterior de las tuberculaciones se halla bien aireada como consecuencia del flujo de agua y su color es marrón rojizo debido a los hidróxidos de hierro. En el interior del tubérculo el contenido en O2 es muy bajo o nulo, como consecuencia de su consumo a través de la respiración de las bacterias. El gradiente en la concentración de oxígeno en los los tubérculos da lugar a una pila de aireación diferencial, corroiéndose la zona interior (con menos O2 ) y originandose picaduras subyacentes, que pueden producir perforaciones en la pared metálica. Asimismo, en el interior del tubérculo, donde existen condiciones anaerobias, pueden desarrollarse bacterias sulfatorreductoras (del tipo Desulfovibrio Desulfuricans), en cuyo caso los tubérculos internamente presentan color negro (sulfuros) y desprenden olor a sulfuro de hidrógeno si se añaden unas gotas de ácido diluido. En la figura siguiente se muestra un esquema propuesto para interpretar los procesos biológicos que ocurren en el interior de un tubérculo. Pueden distinguirse 3 zonas: 1) Zona aeróbica, en contacto con el agua circulante. 2) Zona correspondiente a la estructura mineralizada, incluyendo bacterias oxidantes del hierro. 3) Zona anaeróbica, donde se encuentran generalmente bacterias anaeróbicas sulfatorreductoras y se establece la zona anódica de corrosión. Como consecuencia de este proceso de simbiosis bacteriana y sinergismo de efectos, ocurren dos efectos perjudiciales: a) La corrosión por picado en la base del tubérculo, que actúa como ánodo. b) La obstrucción paulatina del conducto por crecimiento del depósito debido a la precipitación cada vez mayor de hidróxido férrico. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 42 Cuando las tuberculaciones aparecen en el interior de tuberías conllevan frecuentemente un importante aumento del coeficiente de fricción del fluido con la tubería, pudiendo originar una reducción sustancial en la capacidad de transporte del conducto. Los casos más habituales de este tipo de corrosión aparecen en instalaciones (p.ej. tuberías) de acero al carbono o acero inoxidable martensítico en contacto con agua. - Thiobacillus. Entre los microorganismos aerobios los thiobacillus son un grupo de bacterias particularmente dañinas, capaces de oxidar el azufre y los sulfuros para convertirlos en ácido sulfúrico, acidificando y aumentando notablemente la corrosividad del medio en que se desarrollan. En suelos que contengan sulfuros (piritas) pueden ocasionar fuertes corrosiones en estructuras metálicas susceptibles al ataque por ácido sulfúrico diluido. Los representantes más conocidos de este grupo son: Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus thioparus, Thiobacillus denintrificans y el Thiobacillus ferrooxydans entre otros. Su pH óptimo para el crecimiento está entre 3 y 4. 4) Corrosión por Bacterias Anaerobias La corrosión por bacterias en medios anaerobios es, con gran diferencia, la más grave de las originadas por los microorganismos, siendo el origen de importantes daños en tuberías y otras estructuras metálicas enterradas. Entre los microorganismos anaerobios destacan por su importancia en la corrosión del hierro y del acero las bacterias sulfatoreductoras del tipo "desulfovibrio desulfuricans". El desarrollo y proliferación de estas bacterias es posible cuando concuren las siguientes circunstancias: - pH comprendido entre 5,5 y 8,5. - Ausencia de O2. Caso frecuente en suelos arcillosos o turbosos donde el oxígeno atmosférico tiene dificultades para penetrar en el suelo. - Presencia de una cierta cantidad SO42- y otros nutrientes, incluyendo la materia orgánica. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 43 Cuando se verifican las condiciones anteriores, la medida del potencial redox es un indicador muy fiable del riesgo de corrosión anaerobia, según los valores del siguiente cuadro (relativos al electrodo de hidrógeno estándar): Potencial Redox Riesgo de corrosión anaerobia Severo < 100 mV Moderado 100 - 200 mV Ligero 200 - 400 mV Nulo > 400 mV La reacción global de corrosión catalizada por las bacterias sulfatorreductoras es la siguiente: 4Fe + SO42- + 4 H2O → FeS + 3Fe (OH)2 + 2OH- Se considera que las etapas que dan lugar a la reacción anterior son: - Disociación del agua : 8H2O ⇔ 8H+ + 8OH- Disolución anódica del hierro: 4Fe + 8H+ → 4Fe2+ + 8H - Despolarización catódica catalizada por las bacterias: CaSO4 + 8H → H2S + 2H2O+ Ca(OH)2 - Productos de corrosión: Fe2+ + H2S → FeS + 8H+ 3Fe2+ + 6OH- → 3 Fe(OH)2 - Reacción global : 4Fe + CaSO4+ 4H2O → 3 Fe(OH)2 + FeS + Ca(OH)2 De la reacción anterior se deducen las siguientes consecuencias: 1) Corrosión del Fe metálico, que se transforma en FeS (negro) y Fe (OH)2. 2) Las bacterias sulfatorreductoras provocan un aumento de la velocidad de corrosión. Al reducir los sulfatos a sulfuros, las bacterias provocan la sustitución de posibles capas protectoras de hidróxido ferroso por otras de sulfuro que no lo son, disminuyendo el efecto de polarización por resistencia introducido por esas capas protectoras. Teniendo en cuenta que las bacterias utilizan el hidrógeno para reducir los sulfatos a sulfuros, se puede producir simultáneamente una despolarización de la semirreacción catódica de reducción de protones al desplazarse hacia la derecha la reacción 2H+ + 2e- → H2. Estos fenómenos de despolarización y aumento de la velocidad de corrosión se reflejan en la figura siguiente Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 44 Diagrama de Evans mostrando los efectos sobre las curvas de polarización y sobre la intensidad de corrosión (Icorr) debidos a la presencia de bacterias sulfatorreductoras 3) El Fe (OH)2 y FeS se originan en relación de 3 moléculas a 1. El análisis de la herrumbre donde existan activas bacterias reductoras de sulfatos presenta una relación de hidróxido a sulfuro aproximadamente igual a la indicada. En el caso de que la corrosión sea causada por H2S o sulfuros solubles no es probable que se encuentre la relación mencionada entre hidróxidos y sulfuros de Fe, y además la velocidad de corrosión sería menor. Los síntomas característicos en las conducciones metálicas enterradas que sufren corrosión por bacterias anaerobias son el ennegrecimiento local del suelo y la superficie de la tubería debido a la formación del sulfuro de ferroso (negro) y, a veces, el olor a ácido sulfhídrico. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 45 Como consecuencia del metabolismo de las bacterias sulfatorreductoras se generan H+ que provocan una reducción local del pH, disolviendo la película pasiva Se facilita entonces la penetración de otros iones agresivos que pudieran existir en el medio (p.ej Cl-), propiciando el ataque local por picadura del material metálico, como se muestra en la figura: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Picadura 1.1.3.2 PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN MICROBIOLÓGICA. Ante la existencia de un fenómeno de corrosión microbiológica se pueden considerar las siguientes medidas: 1. Uso de recubrimientos protectores tipo asfáltico o polietileno que son difícilmente atacables por los microorganismos. 2. Protección catódica: en presencia de microorganismos se recomienda trabajar a un potencial 100 mV inferior al habitual: -1,0 V respecto al electrodo Cu/CuSO4 en el caso del acero. Este mecanismo de protección será considerado detalladamente en un apartado posterior. 3. Adición de sustancias biocidas al medio, para anular o inhibir la actividad metabólica de los microorganismos responsables. 4. Modificación de las características del medio (pH, temperatura y/o nivel de aireación) para dificultar las condiciones de supervivencia de los microorganismos perjudiciales. En la lámina siguiente se resumen los aspectos más destacables en relación a la corrosión biológica en las instalaciones de tratamiento de agua. 46 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua CORROSIÓN BIOLÓGICA Corrosión por Bacterias Aerobias (Ferruginosas, Thiobacilus,…) 4 Fe (HCO3)2 + 2 H2O + O2 → 4 Fe (OH)3 + 8 CO2 + energía Corrosión por Bacterias Anaerobias (Sulfatorreductoras,…) 4Fe + SO42- + 4 H2O → FeS + 3Fe (OH)2 + 2OH- - pH comprendido entre 5,5 y 8,5. - Ausencia de O2. Caso frecuente en suelos arcillosos o turbosos donde el oxígeno atmosférico tiene dificultades para penetrar en el suelo. - Presencia de una cierta cantidad SO42- y otros nutrientes, incluyendo la materia orgánica. Cuando se verifican las condiciones anteriores, la medida del potencial redox es un indicador muy efectivo del riesgo de corrosión anaerobia, Diagrama de Evans mostrando los efectos sobre las curvas de polarización y sobre la intensidad de corrosión (Icorr) debidos a la presencia de 47 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 48 1.1.4 CORROSIÓN ATMOSFÉRICA Se denomina corrosión atmosférica al deterioro que sufren los materiales expuestos al aire y sus contaminantes a temperatura ambiente Debido a la gran cantidad de metal expuesto a la atmósfera, se estima que alrededor del 50 % de las pérdidas económicas totales por corrosión son causadas por la corrosión atmosférica, de ahí su importancia. La morfología más común de la corrosión atmosférica es la corrosión general o uniforme, aunque también pueden presentarse otras formas corrosivas como la exfoliación, corrosión en hendiduras, picaduras, etc. En general, las velocidades de corrosión medias en atmósfera naturales son inferiores a las que ocurren en aguas naturales o en suelos, simplemente por el menor tiempo durante el cual el electrolito está en contacto con el metal. En ausencia de película húmeda sobre las superficies metálicas, situación que sólo es posible en ausencia de lluvias y para humedades relativas inferiores al 20 – 30 %, puede producirse deterioro de los metales a través de un mecanismo de corrosión denominado corrosión seca o corrosión a alta temperatura, que no se trata en este trabajo por no incidir en la problemática de corrosión que no afecta a las instalaciones que se analizan en este trabajo. Se considerarán los siguientes apartados: 1.1.4.1 MECANISMO ELECTROQUÍMICO DE LA CORROSIÓN ATOMOSFÉRICA. 1.1.4.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN ATMOSFERICA. 1.1.4.3 PROTECCIÓN FRENTE A LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA 1.1.4.1 MECANISMO ELECTROQUÍMICO DE LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA Reacción anódica (disolución del metal): M (s) → Mn+(ac) + neReacción Catódica La reacción catódica predominante en los medios naturales es la reducción de O2, puesto que son ambientes habitualmente neutros donde el agente oxidante que predomina es el O2 : O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH- Como reacción secundaria: Mn+ + n OH- → M(OH)n y en presencia de más oxígeno M(OH)n + O2 → MOn x H2O De las expresiones anteriores se deduce que para que exista corrosión atmosférica han de estar presentes, al menos, el oxígeno y agua líquida depositada sobre la superficie de los metales, actuando esta humedad como el electrolito. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 49 La intensidad de la corrosión dependerá del tiempo durante el cual la capa de humedad permanece sobre el metal, lo que a su vez depende de otros factores como humedad del aire, temperatura, lluvia, contaminación atmosférica, composición del metal, propiedades del óxido formado, etc. En atmósferas de tipo industrial, muy contaminadas por sustancias ácidas, puede tener llegar a ocurrir como reacción catódica la reducción conjunta del O2 y los H+: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O Los productos de corrosión más comunes son, como se observa en las ecuaciones anteriores, óxidos y oxihidróxidos del metal expuesto. 1.1.4.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN ATMOSFÉRICA - La Humedad Los Contaminantes atmosféricos 1) LA HUMEDAD Para las temperaturas a las que habitualmente los metales están en contacto con la atmósfera, en ausencia de película húmeda sobre el metal, la velocidad de corrosión es prácticamente despreciable. Sin embargo, cuando la humedad relativa ambiental es superior al 40%-50%, varios mecanismos, que se comentarán posteriormente, facilitan la condensación de agua sobre la superficie metálica expuesta, favoreciendo la formación de una película húmeda que actúa como electrolito y posibilita el mecanismo electroquímico de corrosión. El valor de humedad relativa a partir del cual se activa el mecanismo electroquímco se conoce como humedad crítica, y el tiempo que esta película húmeda permanece sobre la superficie metálica (tiempo de humectación) es determinante en el proceso de corrosión del material metálico. El electrolito está constituido por una película muy delgada, en muchos casos no perceptible a simple vista, de agua que puede contener agentes contaminantes que aceleran el proceso de corrosión. Estas dos variables, el tiempo durante el cual aparece una película húmeda sobre el metal y la presencia o no de determinados contaminantes como el SO2 y los Cl- son los aspectos que influyen de forma determinante en la magnitud del proceso de corrosión atmosférica. 1.1) Formación de la película acuosa Las dos causas más importantes para la formación de películas de agua sobre la superficie de los metales son la lluvia y la condensación de humedad ambiental. - La Condensación de humedad ambiental ocurre básicamente por los siguientes motivos: 1. Se alcanza la Tª de punto de rocío en la superficie del metal 2. Se condensa humedad, en atmósferas no saturadas, por alguno de los siguientes mecanismos: a) Condensación por capilaridad b) Condensación Química Veamos brevemente los mecanismos anteriores: 1. Condensación de humedad cuando se alcanza la Tª de punto de rocío en la superficie del metal. Cuanto más seco esté el ambiente mayor ha de ser el descenso de temperatura para que pueda condensar el vapor de agua atmosférico. 2. Condensación de humedad en atmósferas no saturadas En atmósferas no saturadas (humedad relativa < 100 %), pueden formarse películas de agua muy delgadas sobre la superficie de los metales, por dos mecanismos: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 50 a) Condensación por capilaridad: La condensación de agua por capilaridad se propicia en las superficies rugosas, las grietas y resqucios, las superficies cubiertas con productos de corrosión de naturaleza porosa, y las superficies sobre las que se ha depositado polvo. b) Condensación Química Se debe a las propiedades higroscópicas de ciertas sustancias contaminantes depositadas sobre la superficie del metal y, a veces, a los propios productos de corrosión. Cuando existen sobre el metal sustancias higroscópicas, incluso en climas secos y aunque aparentemente no se aprecie, puede aparecer una capa húmeda conductora sobre la superficie metálica posibilitando el mecanismo electroquímico de la corrosión. Representación de distintas causas de condensación capilar de humedad sobre una superficie metálica en la atmósfera En el caso se superficies verticales, el espesor de las capas formadas por condensación de humedad oscila entre 10 µm y 50 µm ( no pueden ser mayores porque caen). En superficies horizontales el espesor puede llegar a 100 µm. 1.2) Efecto del espesor de la película de humedad sobre la velocidad de corrosión En la figura siguiente se muestra la relación entre la velocidad de corrosión y el espesor de la película de humedad existente sobre el metal Podemos diferenciar dos situaciones: 1) Si el espesor de la película es < 100 amstrongs la corrosión es prácticamente inexistente debido a la gran resistencia óhmica del electrolito. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 51 2) Si el espesor de la película es > 100 amstrongs la velocidad de corrosión es creciente alcanzando su máximo entre 1 micra y 100 micras de espesor. Aproximadamente hasta 10 µm, el las velocidades de corrosión son prácticamente despreciables. A medida que crece el espesor de la película la velocidad de corrosión aumenta hasta alcanzar un máximo para espesores del orden de los 100 µm. Cuando el espesor de la capa de humedad supera el máximo de la curva, la velocidad de corrosión disminuye como consecuencia de la dificultad para el acceso del oxígeno desde la atmósfera hasta la superficie metálica. A partir de 1 mm de espesor, se consideran condiciones de inmersión. La ocurriendo que la velocidad de corrosión prácticamente se estabiliza, como se muetra en la figura. 2) CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS Los contaminantes atmosféricos pueden acelerar el proceso de corrosión a través de sus efectos sobre el aumento de la conductividad del electrolito, y su influencia sobre la despolarización de las reacciones de oxidación y reducción. En términos generales, los contaminantes corrosivos más frecuentes de la atmósfera son el SO2, los Cl y, en menor medida, los óxidos de nitrógeno. Otro de los contaminantes importantes en muchas atmósferas industriales son las partículas, tanto sólidas como líquidas (aerosoles). Cuando las partículas se depositan sobre la superficie de los metales, actúan como centro de condensación capilar de humedad y tienen propiedades higroscópicas y adsorbentes de contaminantes gaseosos ejerciendo gran influencia sobre la corrosión. Las sustancias que constituyen el polvo combinadas con la humedad condensada sobre las superficies metálicas inician la corrosión por formación de pilas galvánicas de aireación diferencial o porque, debido a su naturaleza higroscópica, forman electrolitos sobre la superficie del metal. Por estas razones el aire exento de polvo es menos corrosivo que el aire cargado de polvo, en particular si el polvo se compone de partículas solubles en agua o de partículas sobre las que pueden adsoberse sustancias ácidas. 1.1.4.3 PROTECCIÓN FRENTE A LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA A continuación se enumeran los procedimientos habitualmente utilizados para combatir la corrosión atmosférica. En el apartado 3.1 de este trabajo se concretará su aplicación en las instalaciones de tratamiento de agua. Los procedimientos básicos frente a la corrosión atmosférica son los siguientes: 1. Reducción de la humedad relativa de la atmósfera. Bajar el contenido de humedad al 50 % es suficiente en la mayor parte de los casos. Lo más práctico suele ser evitar la entrada o la permanencia del agua en los recintos cerrados, así como proveer una buena ventilación. Calentar el aire para reducir su humedad relativa es un procedimiento menos habitual. 2. Eliminación de los contaminantes atmosféricos. 3. Empleo de recubrimientos (orgánicos, inorgánicos o metálicos). Generalmente se utilizan pinturas (recubrimientos orgánicos) o capas de Zn (galvanizados). Las características de los recubrimientos protectores frente a la corrosión se exponen en el apartado 2.3 de este trabajo. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 52 4. Añadir al metal elementos de aleación que den lugar a la formación de una capa de óxido protectora. El Cu, P, Ni y Cr, adicionados al acero en cantidades pequeñas, son efectivos para reducir la corrosión atmosférica. La corrosión de un acero con 0,2 % Cu comparada con la de un acero similar pero con 0,03 % Cu, en una atmósfera marina y en una atmósfera industrial, durante un período de 7,5 años se redujo alrededor del 35 y 50 % respectivamente. Un acero con 3,5 % de Ni, expuesto durante 3,5 años a las mismas atmósferas tuvo una corrosión inferior a la de un acero de bajo Cu en un 70 % y 75 % respectivamente. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 53 1.2 Corrosión del Cobre y sus Aleaciones Se consideran los siguientes apartados: 1.2.1 CORROSIÓN DEL COBRE 1.2.2 CORROSIÓN DE LAS ALEACIONES Cu-Zn. DESCINCIFICACIÓN 1.2.1 CORROSIÓN DEL COBRE - Reacciones anódicas de disolución del Cu - Corrosión del Cu en aguas naturales - Resiencia del Cu a la corrosión 1) Reacciones anódicas de disolución del Cu El cobre se disuelve anódicamente en la mayor parte de los medios acuosos originando el ion divalente Cu2+(ac). Cu(s) → Cu+(ac) + e- ; Eo = - 0,52 V 2+ Cu(s) → Cu (ac) + 2e ; Eo = - 0,34 V Las relaciones de equilibrio entre el metal y los iones Cu+ o Cu2+ indican que la reacción Cu2+↔ 2 Cu+ está muy desplazada hacia la izquierda. Por otra parte, si se forman complejos, como, por ejemplo, en una solución de cloruro, entre Cu+ y C1-, el empobrecimiento continuo de Cu+ por conversión en CuCl2- favorece al ion univalente como principal producto de disolución. El Cu es noble en la serie de potenciales redox con respecto al hidrógeno y sin tendencia a corroerse en agua y ácidos no oxidantes exentos de oxígeno disuelto. En ácidos oxidantes y soluciones aireadas de iones que formen complejos de Cu, por ejemplo CN-, NH4+, la corrosión puede ser intensa. El cobre se caracteriza también por su sensibilidad a la corrosión producida por agua o soluciones acuosas a gran velocidad, denominada ataque por cavitación. La velocidad de corrosión aumenta con el contenido de oxígeno disuelto. Esta forma de ataque aumenta con la concentración de Cl- y también con la disminución del pH en agua aireada. El cobre comercial dúctil, el exento de oxígeno de elevada conductibilidad y el refinado por electrólisis no son susceptibles al agrietamiento por corrosión bajo tensiones. Sin embargo el cobre desoxidado con fósforo, con contenidos tan pequeños como 0,004 % P, si lo es. 2) Corrosión del Cu en aguas naturales El cobre resiste el agua de mar, con una velocidad de corrosión en aguas tranquilas, del orden de 5 a 10 mdd y de algo más en aguas en movimiento. Es uno de los muy pocos metales sobre el que no se depositan organismos incrustantes, ya que la corrosión normal es suficiente para liberar iones en concentraciones venenosas para la vida marina. La resistencia a la corrosión en agua de mar y aguas dulces depende de la presencia de una película de óxido superficial, que el O2 debe atravesar por difusión para que la corrosión pueda continuar. La continuidad de esta película puede romperse con facilidad por agua a elevada velocidad, o ser disuelta por ácido carbónico o ácidos orgánicos que se hallan en algunas aguas dulces y en algunos suelos, lo que conduce a elevar la velocidad de corrosión considerablemente. Por ejemplo, se conoció un caso en el Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 54 que agua caliente, que estaba sometida a un tratamiento con zeolita para ablandarla con la consecuente elevada concentración de NaHCO3 perforaba la tubería de cobre en un tiempo comprendido entre 0,5 y 2,5 años. El mismo tipo de agua sin ablandar no resultaba tan corrosiva debido a que depositaba sobre el metal una película protectora compuesta por CaCO3 con algo de silicato. Aun cuando la velocidad de corrosión no sea excesiva y el cobre se mantenga resistente, el agua que contenga ácido carbónico u otros ácidos, puede causar suficiente corrosión del cobre y sus aleaciones como para producir manchas azules en instalaciones de tuberías y grifería de los cuartos de baño, así como un aumento de la velocidad de corrosión de las superficies de hierro, acero galvanizado o aluminio en contacto con tales aguas. En estas circunstancias se produce la aceleración de la corrosión por una reacción de sustitución por la cual se deposita cobre metálico sobre otro metal formando numerosas y diminutas pilas galvánicas. Las aguas ácidas o con índice de saturación negativo (no depositan capas protectoras), tratadas con cal o silicato sódico reducen la velocidad de corrosión lo suficiente como para anular la formación de manchas en el cobre y sus aleaciones y la corrosión acelerada de otros metales, excepto del aluminio. El aluminio es una excepción debido a su sensibilidad a cantidades extremadamente pequeñas de Cu2+ en solución, y el tratamiento usual del agua no resulta adecuado para reducir la contaminación de Cu2+ a niveles no perjudiciales. Es posible evitar los efectos perjudiciales de la contaminación del agua por Cu2+ empleando tubería de cobre recubierta interiormente con baño de estaño (llamada de cobre estañado). El recubrimiento de estaño debe estar exento de poros con objeto de evitar el ataque acelerado del cobre en las áreas expuestas, ya que el Sn (o los compuestos intermetálicos Cu-Sn) son catódicos con respecto al Cu. El cobre en las tuberías se comporta por lo general como un metal estructural satisfactorio para la conducción de agua de mar y aguas blandas o duras, tanto calientes como frías. Pero, además de los efectos nocivos recién descritos, las aguas de buena conductibilidad pueden inducir un tipo de corrosión en forma de picaduras, si se acumula sobre la superficie del cobre suciedad o herrumbre procedentes de otras partes del sistema. Se forman pilas de aireación diferencial, suplementadas en algunos casos por flujo turbulento que inicia el ataque por cavitación. La corrosión que resulta se denomina a veces «ataque por formación de depósitos». La limpieza periódica de las tuberías evita por lo general, la corrosión producida por tales depósitos. 3) Resiencia del cobre a la corrosión El cobre es resistente a: - Agua de mar. - Aguas dulces, calientes o frías. El Cu es adecuado en especial para conducir aguas blandas con mucho O2 disuelto y bajo contenido en sales de manganeso y ácido carbónico. - Ácidos desaireados, calientes o fríos, H2SO4 diluido, H3PO4, acético y otros no oxidantes. - Exposición atmosférica. El aire seco no altera al cobre. En presencia de la humedad atmosférica y de dióxido de carbono se recubre fácilmente de una película protectora de carbonato básico insoluble en agua. Bajo la acción de cietos ácidos, como el sulfúrico, y cloruros, puede verse impedida la fomración de esa capa protectora y resultar muy fuertemente atacado el Cu. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 55 El cobre no es resistente a: - Ácidos oxidantes, por ejemplo HNO3, H2SO4 concentrado caliente y ácidos no oxidantes aireados (incluso el ácido carbónico). - NH4OH (más O2). Se forma un ion complejo: Cu(NH3)42+. Los compuestos orgánicos que resultan de sustituir uno o más átomos de H del NH3, por radicales orgánicos (aminas), también son corrosivos. Estos compuestos producen agrietamiento por corrosión bajo tensiones de las aleaciones de Cu susceptibles. - Soluciones acuosas y aguas aireadas a elevada velocidad. En aguas corrosivas (mucho O2 y CO2, bajo Ca2+ y Mg2+) la velocidad debe mantenerse por debajo de 1,25 m/s; en aguas menos corrosivas a menos de 65 ºC, por debajo de 2,5 m/s. - Sales oxidantes de metales pesados, por ejemplo FeCl3, Fe2 (SO4)3. - H2S, S y algunos compuestos del S. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 56 1.2.2 CORROSIÓN DE LAS ALEACIONES Cu-Zn. Descincificación Los fallos por corrosión de los latones se producen, en general, por descincado (o descincificación), formación de picaduras y agrietamiento por corrosión bajo tensiones. La tendencia del latón a corroerse de las formas mencionadas, excepto en el caso de ataque por picaduras, varía con el contenido de cinc tal como se muestra en la figura siguiente. Las picaduras son originadas casi siempre por pilas de aireación diferencial o condiciones de elevada velocidad. Este tipo de corrosión puede evitarse normalmente manteniendo limpia la superficie del latón en todo momento y evitando las velocidades elevadas y las condiciones de cavitación. . - Descincificación de los Latones Este tipo de corrosión es conocido también como descincado y consiste en la disolución selectiva del cinc que forma parte de los latones, quedando una masa porosa. El descincado de los latones se desarrolla bien sea en zonas locales de la superficie del metal, llamado de tipo tapón, o uniformemente sobre la superficie, llamado en capas, como se muestra en las siguientes figuras: Descincado del tipo “tapón” en un tubo de latón Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 57 Descincado del tipo “en capas” en tornillos de latón El latón corroído de este modo mantiene cierta resistencia mecánica, pero carece de ductilidad. El descincado en capas en una tubería de agua puede conducir, bajo condiciones de aumentos repentinos de presión, a la rotura del tubo o, en el caso de descincado en forma de tapones, a que salte un tapón, produciendo así un orificio. Debido a que las zonas descincadas son porosas, puede ocurrir que los tapones lleguen a recubrirse por la superficie exterior con productos de corrosión y residuos del agua evaporada. Las condiciones del medio que favorecen el descincado son: 1) Altas temperaturas 2) Disoluciones sin movimiento, en especial las ácidas 3) Formación de capas inorgánicas porosas. Los latones que contienen 15 % o menos de cinc son, por lo general, inmunes. También puede reducirse el descincado de los llamados latones α (de hasta 40 % de Zn) por adiciones de alrededor de 1 % de Sn o de unas pocas centésimas por ciento de As, Sb, o P con o sin Sn. Todavía no ha sido explicado completamente el mecanismo detallado del descincado. Se supone que el cinc se corroe preferentemente dejando una estructura de cobre poroso, o que es la aleación la que se corroe y a continuación hay una reprecipitación de cobre. - Agrietamiento por Corrosión Bajo Tensiones Cuando un latón α está sometido a una tensión de tracción, en contacto con cantidades del orden de trazas de NH3 o con una amina, en presencia de O2 (u otro despolarizador) y humedad, se agrieta por lo general a lo largo de los bordes de grano (corrosión intergranular) según se muestra en la figura. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 58 Agrietamiento intergranular por corrosión bajo tensiones Si la aleación ha sufrido una deformación plástica intensa, puede agrietarse a través de los granos (transgranular). En Inglaterra, hace años, se observó que la cartuchería de latón almacenada en la India se agrietaba, en particular durante la temporada de los monzones, y por ello se denominó Season cracking. También pueden producir el agrietamiento por corrosión bajo tensiones trazas de óxidos de nitrógeno, debido probablemente a que estos óxidos son convertidos en sales amónicas sobre la superficie del latón por reacción química con el metal. El latón recocido, si no está sujeto a una carga aplicada alta, no sufre agrietamiento por corrosión bajo tensiones. Las adiciones metalúrgicas no son efectivas en los latones para proporcionarles inmunidad a este tipo de fallo. Son más resistentes los latones de bajo cinc que los altos. Los latones con alto cinc, por ejemplo 45-50 Zn-Cu, de estructura β o β + γ se agrietan por corrosión bajo tensiones a través de los granos o transgranularmente y, a diferencia que en los latones α, sólo se requiere humedad para causar este fallo. La susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensiones de los latones puede disminuirse o evitarse mediante: 1) Tratamiento térmico para eliminar tensiones. En los latones 30 % Zn-Cu es efectivo un tratamiento de 1 h a 350 ºC, pero puede haber recristalización y alguna pérdida de resistencia mecánica de la aleación. Hay experiencias que prueban que el tratamiento térmico a 300 ºC mejora la resistencia al agrietamiento sin pérdidas importantes de las propiedades físicas. 2) Evitar el contacto con NH3 (o con O2, y otros despolarizadores en presencia de NH3). Esto es difícil de garantizar debido a las pequeñísimas cantidades de amoníaco que causan agrietamiento. 3) Protección catódica. Mediante el empleo de corriente impresa o por recubrimiento del latón con un metal de sacrificio, por ejemplo, cinc. 4) Mediante el empleo de H2S; como inhibidor. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 59 1.3 Corrosión del Aluminio y sus Aleaciones Se consideran los siguientes apartados: 1.3.1 CORROSIÓN DEL ALUMINIO 1.3.2 COMPORTAMIENTO DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO FRENTE A LA CORROSIÓN. 1.3.3 PROTECCIÓN SUPERFICIAL DEL ALUMINIO. ANODIZADO 1.3.1 CORROSIÓN DEL ALUMIO - Reacciones de disolución del Aluminio - Efecto del pH - Resistencia a la corrosión del Aluminio - REACCIONES DE DISOLUCIÓN DEL ALUMINIO Al(s) → Al3+ (ac) + 3e- ; Eo = + 1,66 V Del elevado valor de su potencial de oxidación estándar se deduce que el aluminio es muy activo (gran tendencia a oxidarse), pero se pasiva con la exposición al agua. Aunque el O2 disuelto en el agua mejora la resistencia a la corrosión del Al, su presencia no es necesaria para pasivarse. La película pasiva está compuesta por óxido de aluminio. En el caso de Al expuesto al aire el espesor de esta película suele estar entre 20 y 100 amstrong. La corrosión del aluminio aumenta cuando contiene pequeñas cantidades de impurezas, todas las cuales, a excepción del Mg, tienden a ser catódicas con relación al Al. En general, el metal de alta pureza es mucho más resistente a la corrosión que el metal puro comercial que, a su vez, es más resistente que las aleaciones de aluminio. - EFECTO DEL pH El aluminio es un metal con carácter anfótero y, por tanto, se corroe con mayor rapidez tanto en ácidos como en álcalis, que en el agua neutra. En la figura siguiente se la influencia del pH en la velocidad de corrosión de aluminio comercial en disoluciones acuosas aireadas a distintas temperaturas y velocidades. Los ensayos se han realizado a temperaturas comprendidas entre 70 y 95 ºC y el medio ácido se ha generado con H2SO4. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 60 Influencia del pH en la velocidad de corrosión de aluminio puro comercial (1100) en soluciones aireadas a distintas temperaturas y circulando a diferente velocidad. En la figura anterior se observa que la velocidad de corrosión aumenta considerablemente cuando deja de ser estable la capa pasiva (4,5 < pH <7) y crece con la temperatura. A temperatura ambiente, la velocidad de corrosión mínima tiene lugar en una zona comprendida entre los valores aproximados de pH 5,5 a 8,5. Las velocidades de corrosión en la zona alcalina aumentan mucho con la elevación del pH, o sea, al contrario de lo que ocurre con el hierro y el acero que se mantienen resistentes a la corrosión. El motivo de esta diferencia es que los iones Al3+ forman iones complejos por acción de los grupos OH- , originando AlO2- ( ion aluminato) de acuerdo con la siguiente reacción: Al + NaOH + H2O → NaAlO2 + 3/2 H2 Esta reacción es rápida a temperatura ambiente, mientras que en el caso del Fe la reacción similar que forma NaFeO2 y Na2FeO2, requiere álcali concentrado y temperaturas elevadas. - RESISTENCIA A LA CORROSIÓN DEL ALUMINIO Corrosión en Agua y Vapor El aluminio tiende a picarse en aguas que contienen Cl-, en particular en los resquicios y en áreas de estancamiento, donde desaparece la pasividad por la acción de pilas de aireación diferencial. Las trazas de Cu2+ (en tan pequeña cantidad como 0,1 ppm) o de Fe3+ en el agua son suficientes para romper la pasividad. Se forman pilas galvánicas entre el Al y el Cu o Fe depositados (por reacción de sustitución) que estimulan la disolución del aluminio en áreas locales. Por esta razón, el aluminio no es un material satisfactorio para conducciones de aguas potables o industriales, todas las cuales contienen trazas de iones de metales pesados. Por el contrario, el Al es adecuado para el agua destilada o agua blanda exenta Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 61 de iones de metales pesados. Durante muchos años se han utilizado satisfactoriamente las tuberías de aluminio de alta pureza o del tipo 1100 en redes de agua destilada. El aluminio técnicamente puro (tipo 1100) resiste bien la corrosión en los siguientes medios: a) Exposición atmosférica. Resistencia excelente a las atmósferas rural, urbana e industrial; tiene menor atmósferas marinas. b) Agua destilada. c) Ácido nítrico >80% hasta alrededor de 50º C. d) Ácido acético, caliente o frío, y muchos otros ácidos orgánicos. e) Ácidos grasos. En la destilación de ácidos grasos se emplea equipo de Al. f) NH4OH caliente o frío. g) Azufre, atmósferas sulfurosas, H2S. El Al se emplea en la minería del Azufre. h) Gases refrigerantes fluorados. Pero no al bromuro o cloruro de metilo. resistencia a las La resistencia a la corrosión del aluminio es baja en los siguientes medios: a) Ácidos fuertes, tales como HC1 y HBr (diluidos o concentrados), H2SO4 (es satisfactorio para aplicaciones especiales a temperatura ambiente, por debajo del 10% de concentración); HF, HClO4, H3PO4 y ácidos fórmico, oxálico y tricloroacético. El Al de alta pureza se corroe en HCl intergranularmente, en especial si ha sufrido un enfriamiento brusco desde 600 ºC, pero menos si se deja enfriar en el horno. b) Álcalis. La cal y el hormigón fresco son corrosivos para el aluminio, así como los álcalis fuertes, por ejemplo, NaOH y las aminas orgánicas muy alcalinas. La velocidad de ataque puede ser considerable tanto en álcalis diluidos como concentrados. Por esta razón, cuando se proteja al Al catódicamente, debe evitarse la sobreprotección con objeto de evitar el deterioro del metal por acumulación de álcalis en la superficie del cátodo. La cal, Ca (OH)2, y algunas aminas orgánicas fuertemente alcalinas (pero no el NH4OH) son corrosivas. El cemento Portland fresco contiene cal y es también corrosivo, por lo que las superficies de aluminio en contacto con hormigón húmedo pueden desprender H2 visiblemente. La velocidad de corrosión se reduce cuando el cemento fragua y sólo continúa si el cemento se mantiene húmedo o si contiene sales delicuescentes, por ejemplo CaCl2. b) Hg y sus sales. d) Agua de mar. Se forman picaduras en los resquicios, debajo de los depósitos y en presencia de iones de metales pesados. e) Aguas que contienen iones de metales pesados, por ejemplo, aguas que hayan pasado antes por tuberías de Cu, latón o de hierro, o aguas de mina. f) Disolventes dorados. g) Alcoholes etílico, propílico o butílico anhidros y a temperaturas elevadas. El agua en cantidad del orden de trazas actúa como inhibidor. Acoplarniento o unión galvánica - El cadmio tiene un potencial redox muy próximo al que posee el Al en muchos medios, por lo cual se pueden emplear accesorios decorativos, tuercas, tornillos de acero con recubrimiento de Cd en contacto directo con Al. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 62 - El Cinc es anódico con relación al Al y por esto tiende a proteger catódicamente al Al en medios ácidos o neutros. Sin embargo, en los álcalis se invierte la polaridad y el Zn acelera la corrosión del Al. - El magnesio es anódico con relación al Al. Cuando se acoplan ambos metales, la diferencia de potencial y el flujo de corriente, por ejemplo en agua de mar, son tan elevadas que el Al puede llegar a estar sobreprotegido catódicamente sufriendo el consiguiente deterioro. Las aleaciones de Al, si se acoplan a Mg, deberían ser de bajo contenido en impurezas de metales pesados, en particular Fe, Cu, y Ni que actúan como cátodos de acción local. En este aspecto el Al resulta menos dañado cuando está aleado con Mg. El Al de alta pureza puede ser acoplado con Mg sin daño para el Mg ni el Al. - Cobre y sus aleaciones. El Al nunca debe acoplarse con cobre o sus aleaciones por el daño resultante para el Al. En relación con esto, también es importante evitar el contacto del Al con el agua de lluvia que ha fluido sobre vierteaguas o canalones de cobre debido al deterioro que causan las pequeñas cantidades de Cu contenidas en estas aguas. - Acero. En las zonas rurales el acoplamiento de acero con Al es por lo general satisfactorio, pero en las zonas costeras se acelera el ataque del Al. En aguas dulces el Al puede ser catódico o anódico con respecto al acero, dependiendo de pequeñas diferencias de composición del agua. 1.3.2 COMPORTAMIENTO DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO FRENTE A LA CORROSIÓN. En general, las aleaciones de aluminio presentan comportamientos similares a los descritos para el aluminio, aunque, como ya se ha dicho, la resistencia a la corrosión suele ser algo menor. Los aleantes usuales que se adicionana al Al con objeto de mejorar sus propiedades físicas son Cu, Si, Mg, Zn y Mn, de los cuales el Mn consigue mejorar la resistencia a la corrosión de las aleaciones de moldeo y de las forjables. Una razón de esta propiedad del Mn es que se forma el compuesto MnAl6 que disuelve al Fe formando solución sólida. El compuesto (MnFe)A16 decanta en el fondo de la fusión, reduciendo de esta forma la influencia perniciosa que sobre la corrosión ejercen las pequeñas cantidades de Fe presentes en la aleación como impureza. En el caso del Co, Cu y Ni no tiene lugar la incorporación señalada para el Fe, de forma que no debe esperarse que la adición de Mn contrarreste los perjudiciales efectos de estos elementos sobre el comportamiento frente a la corrosión. Las aleaciones duraluminio (p. ej. los tipos 2017 y 2024) contienen varias unidades porcentuales de Cu, resultando mejorada su resistencia mecánica por la precipitación de CuAl2 a lo largo de los planos de deslizamiento y bordes de grano. El cobre está en solución sólida por encima de la temperatura de homogeneización aproximada a los 480 ºC, y si se produce un enfriamiento brusco queda en solución. La precipitación se realiza lentamente a temperatura ambiente con aumento progresivo de la resistencia mecánica de la aleación. Si se enfría la aleación desde las temperaturas de solución sólida en agua en ebullición, o si después de enfriada bruscamente se calienta (envejecido artificial) por encima de 120 ºC, el compuesto CuAl2 se forma con preferencia a lo largo de los bordes de grano. Esto origina un empobrecimiento de Cu en la aleación contigua al compuesto intermetálico, produciendo juntas intergranulares anódicas a los granos y una intensa susceptibilidad a la corrosión intergranular. Un calentamiento prolongado (sobreenvejecimiento) restaura la composición uniforme de aleación en los granos y en sus intercaras, eliminando así la susceptibilidad a la corrosión intergranular, aunque a costa de sacrificar en cierto grado las propiedades físicas. En la práctica, la aleación se enfría bruscamente desde unos 490 ºC, y a continuación sigue el envejecimiento a temperatura ambiente. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 63 La aleación de duraluminio con tensiones de tracción en presencia de humedad, puede agrietarse a lo largo de las juntas intergranulares. Esto es un ejemplo de agrietamiento por corrosión bajo tensiones. La sensibilización de la aleación por tratamiento térmico tal como se ha descrito, la hace susceptible a este tipo de fallo (el aluminio puro es inmune al agrietamiento por corrosión bajo tensiones). Las aleaciones Al-Mg 5 a 7 %, sometidas a tensiones o trabajadas en frío, también se agrietan por corrosión bajo tensiones en aire húmedo. Para evitar estos fallos es necesario un enfriamiento lento (50 ºC/h) desde la temperatura de homogencización para, según se supone, coagular la fase β (Al3Mg2 proceso que se favorece adicionando a la aleación 0,2 % de Cr). 1.3.3 PROTECCIÓN SUPERFICIAL DEL ALUMINIO El aluminio se protege frente a los agentes atmosféricos, recubriendose de forma natural con una delgada película de Al2O3 . Esta capa de óxido tiene un espesor más o menos regular del orden de 0,01 micras sobre el metal recientemente decapado y puede llegar a 0,2 o 0,4 micras sobre metal que haya permanecido en un horno de recocido. Para poder soldar es necesario eliminar previamente, por procedimientos químicos o mecánicos, dicha capa. Mediante procedimientos químicos y electrolíticos se pueden obtener películas de óxido mucho más gruesas y protectoras, con características distintas a la capa natural. En particular, el proceso de anodizado permite formar capas cuyo espesor puede controlarse, con valores desde algunas micras a 25 ó 30 micras en los tratamientos de protección o decoración, llegando a las 100 micras y más por procesos de endurecimiento superficial ( anodizado duro). - Principio Del Anodizado - Anodizado Duro - Principio del Anodizado Si se llena una cuba con agua hecha conductora por la adición de una pequeña cantidad de ácido, de base o de sal y si en este electrolito, se dispone un cátodo (polo negativo), inatacable (níquel o plomo) y un ánodo de aluminio, se observa desprendimiento de hidrógeno en el cátodo y ningún desprendimiento en el ánodo. Se observa, por otra parte, que el ánodo de aluminio, se ha recubierto de una película de alúmina. El oxígeno procedente de la disociación electrolítica del agua ha sido utilizado para oxidar el aluminio del ánodo; de aquí la expresión «Oxidación anódica» anteriormente utilizada y sustituida actualmente por el término «Anodizado». La naturaleza del electrolito tiene una importancia fundamental sobre los fenómenos que se desarrollan en la superficie anódica. Se pueden señalar dos tipos de reacciones anódicas, que presentan variantes: 1) En los electrolitos que no tienen acción disolvente sobre la capa de óxido, se forma una película muy adherente y no conductora. El crecimiento de la película se realiza hasta que su resistencia eléctrica es tan elevada que impide la circulación de la corriente hacia el ánodo. Se forma entonces una capa llamada «capa barrera». 2) En los electrolitos que tienen acción disolvente sobre la capa de óxido, si el metal mismo es disuelto y si los productos de reacción son solubles en el electrolito, no se forma capa de óxido. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 64 El procedimiento de anodizado, en medio sulfúrico es el más utilizado. La naturaleza del metal base (aluminio no aleado de diversas purezas y aleaciones) afecta considerablemente sobre los resultados que se consiguen y los medios a utilizar para obtenerlos. - Anodizado Duro Con el anodizado pueden obtenerse capas considerablemente más duras que las clásicas ( y en particular más duras que las que se obtienen en medio sulfúrico-oxálico) en un medio sulfúrico puro. Se obtienen estos resultados anodizando a muy baja temperatura (0º C) en un medio electrolítico de 10 a 15% de ácido sulfúrico, con una densidad de corriente fuerte (3 A/dm2). La tensión, que será al principio de 10 V puede llegar a ser de 80 a 100 V según la naturaleza de la aleación. Es necesario un enérgico agitado con una refrigeración eficaz. Se pueden obtener así capas muy espesas a una velocidad de 50 micras / hora. Las capas que actualmente se consiguen son de alrededor de 150 micras, según el proceso y la aleación. La dureza de estas capas es comparable a la del cromo-duro, su resistencia a la abrasión y al rozamiento es considerable y por ello su utilización para piezas mecánicas se extiende progresivamente. Todas las aleaciones son susceptibles del anodizado duro, salvo las que contienen cobre, porque éste tiende a disolverse a pesar de la baja temperatura y perturba el tratamiento. Las capas duras se obtienen a costa de una merma de flexibilidad, lo cual limita su utilización a aquellas aplicaciones en que no vayan a sufrir choques térmicos importantes, porque la película se rompería bajo el efecto de las dilataciones fuertes. Propiedades del anodizado duro: - Resistencia a la abrasión, ya que la alúmina es un cuerpo extremadamente duro, un poco menos que la del diamante. Presenta una resistencia al desgaste superficial superior a muchos tipos de acero. - Resistencia eléctrica. La alúmina es un excelente aislante eléctrico. Su capacidad de aislamiento depende de la porosidad y resulta muy afectado por la presencia de impurezas en el metal. - Resistencia química. La capa anódica protege eficazmente el metal base contra la acción de numerosos medios agresivos, por lo cual se utiliza cada vez más en ambientes navales e industriales. - Porosidad secundaria (apertura más o menos acusada en la entrada de los poros debido al efecto de disolución del baño) se manifiesta, sobre todo, en la parte exterior de la película y se aprovecha en las técnicas de coloreado e impregnación. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 65 2. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN Se consideran los siguientes apartados: 2.1 PROPIEDADES Y APLICACIONES DE LOS MATERIALES METÁLICOS. 2.2 DETALLES DE DISEÑO 2.3 RECUBRIMIENTOS PROTECTORES CONTRA LA CORROSIÓN 2.4 INHIBIDORES DE CORROSIÓN 2.5 PROTECCIÓN ELECTROQUÍMICA 2.1 PROPIEDADES Y APLICACIÓN DE LOS MATERIALES METÁLICOS 2.1.0 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 PERSPECTIVA GENERAL ACERO AL CARBONO FUNDICIONES DE HIERRO ACEROS INOXIDABLES COBRE Y SUS ALEACIONES ALUMINIO Y SUS ALEACIONES COSTE ECONÓMICO RELATIVO DE LOS MATERIALES METÁLICOS 2.1.0 PERSPECTIVA GENERAL El hierro y sus aleaciones, principalmente el acero, representa aproximadamente el 90 % de la producción mundial de metales. Esta supremacía se debe, además de a su precio de coste relativamente económico, a sus excelentes propiedades mecánicas que, sobre todo las de los aceros, pueden variarse para amoldarlas a la conveniencia del usuario para trabajarlos más cómodamente, dándose después el punto deseado de dureza, resistencia y tenacidad. Los productos siderúrgicos tienen el grave inconveniente de que son muy sensibles a la oxidación y a la corrosión atmosférica. Si bien en los aceros denominados inoxidables se han corregido estos defectos, presentan como inconveniente su elevado precio. Los metales industriales no férreos y sus aleaciones son, en general, resistentes a la oxidación y corrosión atmosférica. Pero no es esta la única buena cualidad que los hace recomendables para muchas aplicaciones, sino también, la facilidad con la que se moldean y mecanizan y la elevada resistencia mecánica en relación a su peso de algunas aleaciones. Los metales no férreos más empleados son: Cu, Al, Mg, Ni, Sn, Pb y Zn. Tambén se emplean, aunque en menor medida: Cd, Mo, Co, Zr, Be, Ta y metales preciosos (Ag, Au y Pt). Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 66 Cada metal tiene propiedades especiales y su utilización se decide tras un análisis comparativo de costes y propiedades con otros metales y materiales. Como orientación, en el apartado 2.1.6 figura el coste comparativo de los materiales metálicos más utilizados como base el acero. En el siguiente cuadro se expone una clasificación general de los materiales metálicos que trataremos en este trabajo 1. METALES FÉRREOS Denominación 1.1 ACEROS - Hipoeutectoides - Eutectoides - Hipereutectoides 1.2 FUNDICIONES %C < 2,0 % 0,10 -0.77 % - Fundiciones Grises - Fundiciones Nodulares o Dúctiles Son el 90% de los aceros utilizados 0,77 % 0,77 – 2,0 % 2,0 – 6,67 % - Fundiciones Blancas - Fundiciones Maleables Observaciones El % C está normalmente entre 2,0 % y 4, 0 % C (Hipoeutécticas) El C está como Cementita El C se halla libre como rosetas El C se halla libre como laminillas El C se halla libre como nódulos 2. COBRE Y SUS ALEACIONES. Latones y Bronces 3. ALUMINIO Y SUS ALEACIONES MATERIALES FÉRREOS Los materiales férreos constituidos por aleaciones hierro-carbono se clasifican, en función de su contenido en carbono, como Aceros y Fundiciones. - Los aceros son aleaciones hierro-carbono con menos del 2 % de carbono. Los aceros se subdividen a su vez en: a) Aceros hipoetutectoides, cuyo contenido en carbono es inferior al correspondiente a la composición eutectoide (0,77 %C). b) Aceros eutectoides: cuyo contenido en carbono es el correspondiente a la composición eutectoide (0,77 %C). c) Aceros hipereutectoides, cuyo contenido de carbono se encuentra entre 0,77 y 2 %. - Las fundiciones son aleaciones hierro-carbono con más del 2% de carbono, normalmente su composición se encuentra entre el 2,0 y el 4,0 % de C. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 67 En la figura siguiente se muestra esquemáticámente la composición y constituyentes metalográficos normales de los aceros y fundiciones: Ac. Hipoeutectoides Ac. Hipereutectoides F. Blancas Ac Eutectoide S 275 Fundiciones Eutéctico (Ledeburita) F. Grises Fe α Granos 0,25 % C 0,8 % C Fe α + Perlita /// Perlita /// Laminas 2,0 % C 4,3 % C Perlita /// + Fe3C Fe3C Grafito C Efectos del contenido en carbono sobre las propiedades mecánicas: % C↑: Dureza, Lim.Elastico, σ rotura, Fragilidad, Templabilidad ↑ Ductilidad, forjabilidad, soldabilidad, Maquinabilidad, Tenacidad ↓ 2.1.1 ACERO AL CARBONO Se consideran los siguientes apartados: 2.1.1.1 PROPIEDADES TECNOLÓGICAS 2.1.1.2 APLICACIÓN EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUA Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 68 2.1.1.1 PROPIEDADES TECNOLÓGICAS DEL ACERO AL CARBONO - CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS ACEROS ACERO AL CARBONO PARA CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS METÁLICAS OTROS ACEROS AL CARBONO UTILIZADOS ANEXO 1: ACEROS AL CARBONO PARA CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS METÁLICAS NBE EA- 95) - INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LAS PROPIEDADES DE LOS ACEROS CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS ACEROS La aleación férrea de mayor importancia es el acero, siendo aproximadamente el 90% de la producción acero al carbono y el 10%, acero aleado. El acero al carbono puede definirse como una aleación Hierro – Carbono con contenido de carbono < 2 %. Contiene en pequeñas cantidades otros elementos cuya presencia se debe al proceso de su producción (manganeso y silicio), a la dificultad de excluirlos totalmente del metal (azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno) o a circunstancias casuales (cromo, níquel, cobre y otros). El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. - Influencia de elementos extraños en las características mecánicas de los aceros de bajo contenido en carbono. En general los aceros ordinarios contienen: Mn < 0.90%, Si < 0.50%, P < 0.10%, S < 0.10% La presencia de fósforo y azufre, salvo en muy pocas ocasiones, es perjudicial para la calidad de los aceros, procurándose su eliminación en los procesos de fabricación. En general se recomienda que en los aceros ordinarios el contenido de cada uno de esos elementos no pase del 0,06%, y en los aceros de calidad se suele exigir porcentajes de fósforo y azufre inferiores a 0.03%. El azufre, tanto si se presenta como sulfuro de hierro o sulfuro de manganeso, provoca una considerable reducción en el alargamiento y resistencia del acero. El fósforo se encuentra siempre disuelto en los granos de ferrita a los que comunica gran fragilidad. Una clasificación general de los aceros los divide en dos grandes grupos: Ac.al Carbono y Ac. Aleados 1. ACEROS AL CARBONO: - Aceros de construcción - Aceros para herramientas 2. ACEROS ALEADOS - Aceros inoxidables - Destinados a recibir un tratamiento térmico o superficial: temple, revenido, cementación, nitruración, etc. - Aceros para muelles - Aceros para altas temperaturas ( aceros refractarios) - Aceros para bajas temperaturas (aceros criogénicos) - Aceros de fácil maquinabilidad - Aceros austeníticos al Mn - Aceros para construcción metálica con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica (Vease Influencia_elementos_aleación ) Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 69 Dentro de la gran variedad de aceros existentes, los apartados siguientes se centran en las características de los aceros al carbono utilizados para la construcción de estructuras metálicas y equipos con mayor aplicación en las instalaciones de Tratamiento de Agua. ACERO AL CARBONO PARA CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS METÁLICAS - Designación actual de los aceros al carbono para estructuras metálicas: norma UNE- EN 10025 La designación europea actual de los aceros laminados para construcción metálica, según UNEEN 10025-94 comprende la letra S seguida de un número (235, 275 ó 355), que indica el valor mínimo del límite elástico (σe) expresado en N/mm2, a los que se añaden otras letras y números que corresponden al grado y otras propiedades tecnológicas. La denominación consta de los siguientes términos: - S: Como identificación del acero estructural (del inglés “structural steel”). - Tipo de acero: Que se establece en función de las características mecánicas, identificándose mediante un número que indica el valor mínimo garantizado del límite elástico, en Mpa (N/mm2). En la norma UNE-EN 10025-9 se definen 7 tipos de acero estructural. - Grado: Se determina por la soldabilidad y valores de energía adsorbida en el ensayo de flexión por choque (resiliencia). En algunos TIPOS de acero se establecen distintos GRADOS Y SUBGRADOS. El grado de soldabilidad y de resiliencia (insensibilidad a la rotura frágil a baja temperatura), de menor a mayor, se expresa por las letras: JR, J0, J2 ó JK (las características de soldabilidad y la resiliencia están íntimamente relacionadas, aumentando y disminuyenyo paralelamente ). Los aceros de grado G3 se suministran en estado normalizado (proceso que consiste en calentar el acero por encima de la temperatura de cristalización, y enfriarlo. Según los parámetros anteriores, la UNE-EN 10025-9 determina 20 clases de acero estructural, cuya designación y características se recogen en la tabla siguiente: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 70 ACEROS ESTRUCTURALES SEGÚN NORMA UNE-EN 10025-9 - Características exigibles a los aceros al carbono para estructuras metálicas Las características más interesantes al seleccionar los aceros para la construcción de estructuras metálicas son: 1) Propiedades mecánicas: resistencia a la tracción, alargamiento de rotura y muy especialmente el límite de elasticidad, que sirve de base para el cálculo de los esfuerzos admisibles. Con esas características están relacionadas en mayor o menor grado otras, tales como la resistencia a la fatiga y la aptitud al conformado. 2) La soldabilidad, ya que la mayoría de las estructuras son soldadas. Los aceros soldables se caracterizan por su relativamente bajo contenido en carbono. Los aceros con un contenido en carbono % C > 0,25 % no son recomendables para la soldadura, pudiendo usarse como elementos de fijación y de apoyo, o para estructuras remachadas o roblonadas - Elección y designación del acero para estructuras Los tipos de acero a utilizar en las estructuras metálicas pueden definirse con respecto a las normas UNE-EN 10025-94 y NBE EA-95. En principio, el tipo de acero a utilizar en una estructura metálica es el indicado en la norma NBE EA-95, según se recoge en Anexo 1 adjunto. Esta norma especifica los tipos A 37, A 42 y A 52 en los grados b, c y d, siendo el mas usual el grado b. Sin embargo, la designación comercial actual de aceros es la que figura en la norma UNE EN 10 025; además, ha de tenerse en cuenta que el acero A 42 ha dejado de fabricarse, razón por la cual los el acero a utilizar en las estructuras metálicas deben especificarse respecto a la norma UNE-EN 10025. En la tabla siguiente se indican las correspondencias entre las designaciones utilizadas en la NBE EA-95 y las designaciones según UNE EN 10025. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 71 Designación según NBE-EA Designación según UNE EN 10025 A37 b S235 JR - S235 JR G2 A37c S235 JO A37d S235 J2 G3 A42b - A42c - A42d - (1) S275 JR (1) S275 JO (1) S275 J2 G3 A52b S355 JR A52c S355 JO A52d S355 J2 G3 (1) Estas designaciones se corresponden con A 44b, A 44c y A 44d, respectivamente según UNE 36 080-73. La correspondencia señalada en la tabla anterior no supone equivalencia exacta de los aceros. Los aceros normalmente utilizados para perfiles y chapas laminados según la norma NBE EA-95 son de la clase A37b y A42b, cuya correspondencia con la norma UNE EN 10025 sería: A37 b…S235 JR A42 b…Se aproxima mucho a las características del S275 JR (El acero S275 JR posee un límite elástico fy: 275 en MPa ó N /mm2 = 2806 kg /cm2, y un alargamiento de rotura mayor o igual al 24 %). De los siete tipos de acero definidos en la norma UNE-EN 10025-94 los de ucomúnmente utilizados son el S235, S 275 y S 355 (en sus distintos grados). Los aceros S 185, E 295, E 355 y E 360 no son aptos para estructuras metálicas, ya que no se les exige ningún requisito de resiliencia. OTROS ACEROS AL CARBONO UTILIZADOS En piezas singulares de bombas hidráulicas se encuentra el uso de los aceros al carbono F-111 y F114 (según denominación I.H.A), cuyas características principales se describen a continuación. Designación Designación común %C % Mn % Si %P %S I.H.A. F-111 Acero extrasuave 0,10-0,20 0,30-0,50 0,15-0,30 <0,04 <0,04 0,40-0,50 0,40-0,70 0,15-0,30 <0,04 <0,04 F-114 Acero semiduro Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 72 - Acero F-111 (Acero extrasuave) Su composición química es la que figura en la tabla anterior. Su resistencia a la tracción, normalizado, oscila entre 38 kg/mm2 y 48 kg/mm2, su alargamiento de rotura entre el 28 y 23 % y su dureza entre 110 y 135 HB. Es fácilmente soldable y muy deformable. Los únicos tratamientos térmicos a que se somete este acero son: el normalizado, de 900 a 940 ºC, para uniformizar y afinar su estructura, y el recocido contra acritud, de 550 a 700 ºC después de haber sido trabajado en frío. Como su contenido en carbono es muy bajo, no adquiere dureza sensible con el temple. No es necesario tampoco someterlo a ningún recocido para ablandamiento previo para mecanizarlo, e incluso se mecaniza más fácilmente después de estirado o trabajado en frío, pues su dureza se habrá elevado a unos 150 Brinell, que es más adecuada para la mecanización. Se utiliza acero F-111 para la fabricación de piezas soldadas o que deban poseer poca resistencia y buena tenacidad, como tornillos, clavos, roblones, herrajes y elementos auxiliares de máquinas. Se emplea también para la fabricación de elementos por deformación en frío, embutición, plegado, etc., como alambre. - Acero F-114 (Acero semiduro) De contenido de carbono comprendido entre 0,40 y 0,50 %. Su resistencia templado en agua y revenido, es de 70 kg/mm2, con una dureza de 190 a 210 HB. Se templa este acero calentándolo de 825º a 845º C y enfriando en agua, siendo la temperatura de revenido de 550º a 650 ºC. Existen peligros de deformaciones. También puede emplearse, después de ser trabajado en frío aprovechando la dureza adquirida por la acritud en lugar de someterlo a tratamientos térmicos. El recocido de regeneración se realiza a temperaturas comprendidas entre de 835º a 855º C enfriando en el horno. Para normalizarlo se calienta de de 850º a 880º C enfriando al aire. Se utiliza mucho para la fabricación de ejes y elementos de maquinaria de elevada resistencia. Se emplea también en estado normalizado para la fabricación de gran número de piezas para las que sólo es necesaria una resistencia media. Si la piezas son de poco espesor, se obtienen características muy buenas después de templadas y revenidas. INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LAS PROPIEDADES DE LOS ACEROS Se indican de forma cualitativa en la siguiente Tabla: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 73 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 74 2.1.1.2 APLICACIONES DEL ACERO AL CARBONO EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO Y CONDUCCIÓN DE AGUA El acero al carbono y la fundición son con gran diferencia los materiales metálicos más utilizados, por sus propiedades tecnológicas y su precio comparativo. Habitualmente, cuando se decide el uso de un material metálico la primera opción a considerar son el acero al carbono y la fundición de hierro; el uso de otros metales (aleaciones de cobre, aluminio, etc.) queda restringido en las instalaciones de tratamiento de agua a aplicaciones muy concretas que posteriormente se expondrán. En la Lámina 1 siguiente se muestran las aplicaciones típicas del acero al carbono en las instalaciones de tratamiento y conducción de agua. El acero se utiliza en forma de perfiles laminados, chapas, pletinas, etc., para la construcción de las estructuras metálicas de uso general en las instalaciones industriales ( estructura metálica de naves industriales, barandillas, escaleras, etc) y en la mayoría de las estructuras metálicas que forman parte de los equipos de tratamiento de agua: decantadores, filtros, depósitos para almacenamiento de productos químicos no agresivos, tuberías y colectores de impulsión de bombeos, etc. Es decir, el acero al carbono se utiliza en materiales que, por su uso frecuente, deben ser relativamente asquibles además de presentar buenas características mecánicas y buena aptitud para ser conformados: deben poder doblarse, cortarse y soldarse con facilidad para las operaciones de montaje. Estas últimas cualidades no se dan por ejemplo en las piezas de fundición de hierro, ni tampoco en todas las variedades de aceros. Limitaciones de uso: El acero al carbono resulta adecuado para condiciones de servicio moderadas y fluidos no erosivos ni corrosivos. No se recomienda para temperaturas superiores a 425 ºC, por su pérdida de resistencia con el aumento de temperatura Casi siempre se utiliza revestido (normalmente con pintura o galvanizado) ya que de lo contrario su superficie se oxida rápidamente por simple contacto con la atmósfera Lámina 2: De entre la gran variedade de aceros disponibles en el mercado, en la lámina 2 se señalan aquellos que con mayor frecuencia aparecen en los proyectos de construcción de estructuras metálicas en las instalaciones de tratamiento de agua. La designación que se utiliza actualmente para definir los aceros laminados de construcción metálica es la que figura en la norma UNE EN 10025 – 94, usando la letra S seguida de un número (235, 275 ó 355), que indica el valor mínimo del límite elástico (σe) expresado en N/mm2, y a continuación se añaden otras letras y números que corresponden al grado y otras cualidades tecnológicas. El acero normalmente empleado para los perfiles y chapas de las estructuras se designa como S275 JR, prácticamente equivalente al designado como A42 b según la NBE EA-95 que es la norma vigente para la construcción de estructuras metálicas. Ha de tenerse en cuenta que el acero A 42 ha dejado de fabricarse, razón por la cual los tipos de acero a utilizar en las estructuras metálicas deben especificarse con respecto a la norma UNE-EN 10025-94. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua APLICACIONES DEL ACERO AL CARBONO EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO Y CONDUCCIÓN DE AGUA Lámina 1 CALDERERÍA: CONDUCCIONES, COLECTORES DE IMPULSIÓN, CALDERINES HIDRONEUMÁTICOS, ETC. DEPÓSTIOS PARA PRODUCTOS QUÍMICOS NO AGRESIVOS ESTRUCTURAS METÁLICAS PARA TRATAMIENTO DE AGUA ESTRUCTURAS METÁLICAS USO GENERAL ESTRUCTURAS METÁLICAS PARA TRATAMIENTO DE AGUA ESTRUCTURA METÁLICA EN TORRE DE TOMA EN EMBALSE 75 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 76 Lámina 2 ACEROS AL C DE CONSTRUCCIÓN (UNE-EN 10025-94). ACEROS AL CARBONO PARA CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS METÁLICAS A 37 b (NBE EA- 95) A 42 b (NBE EA- 95) Microestructura de un acero al carbono hipoeutectoide Ac. Hipoeutectoides S 275 Ac σe, fy : 275 MPa Ac. Hipereutectoides 0,25 % Fe α Fe α + Granos 0,8 % C Perlita /// 2,0 % Perlita /// + % C↓: Ductilidad, forjabilidad, soldabilidad, εr ≥ 24 % Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 77 ANEXO 1: ACEROS AL CARBONO PARA CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS METÁLICAS (NBE EA- 95 ) A continuación se resumen las característica de mayor interés recogidas en el Real Decreto 1829/1995, de 10 de noviembre, NBE EA-95 «Estructuras de acero en edificación», donde se establecen las características de los aceros que se han de utilizar para la construcción de estructuras metálicas. - PERFILES Y CHAPAS DE ACERO LAMINADO Los aceros que se utilizan para perfiles y chapas de acero laminado son los que figuran en el cuadro siguiente Grado Tipo de Acero b c d A37 A37b A37c A37d A42 A42b A42c A42d A52 A52b A52c A52d Criterio de selección: Los aceros A-37, A-42 y A-52 se utilizan para los productos laminados, con las siguientes consideraciones: - Calidad b: en construcciones remachadas o soldadas ordinarias. - Calidad c: para construcciones soldadas con exigencias de alta soldabilidad o de insensibilidad a la rotura frágil. - Calidad d: para construcciones soldadas con exigencias especiales (de resistencia, de resiliencia, etc.). - De entre los anteriores, los tipos de acero normalmente utilizados son el A37b (S235 JR) y A42b. - Cuando existen exigencias especiales de alta soldabilidad o de insensibilidad a la rotura frágil se recomienda de los aceros de las clases A42c, A42d, A52c y A52d - Los aceros de la clase A52b tienen su utilización en los casos en que se requieren altas resistencias. - CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES NBE EA- 95 En la Tabla siguiente se muestran las características mecánicas de los aceros, con la siguiente definición: • Límite elástico (σe) Esta definición corresponde al límite superior de cadencia según la norma UNE 7 474-1 (EN 10 002-1). Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 78 • Resistencia a tracción Es la carga unitaria máxima σf soportada durante el ensayo normalizado a tracción. • Alargamiento de rotura Es el aumento δ de la distancia inicial entre puntos, en el ensayo de tracción después de producida la rotura de la probeta, y reconstruida ésta, expresado en tanto por ciento de la distancia inicial. • Doblado Es un índice de la ductilidad del material, definido por la ausencia o presencia de fisuras en el ensayo de doblado según 2.1.5.5. • Resiliencia Es la energía ρ absorbida en el ensayo de flexión por choque, con probeta entallada, según el ensayo normalizado. Características mecánicas Espesor Clases de acero Probeta A37b A37c A376 A42b A42c A42d A52b A52c A52d ≤ 16 mm 24 24 24 26 26 26 36 36 36 23 23 23 25 25 25 35 (1) 35 35 22 22 22 24 24 24 34 (1) 34 34 longitudinal 26 26 26 24 24 24 22 (1) 22 22 > 16 mm Límite elástico ≤ 40 mm σe kp/mm² mínimo > 40 mm ≤ 63 mm Alargamiento de rotura ≤ 40 mm transversal 24 24 24 22 22 22 20 20 20 δ kp/mm² mínimo > 40 mm longitudinal 25 25 25 23 23 23 21 (1) 21 21 ≤ 63 mm 23 23 23 24 21 21 19 19 19 3748 3745 3745 4253 4250 425252-62 50 62 5262 longitudinal 1a 1a 1a 2a 2a 2a transversal 2a 1.5a 1.5a 2.5a 2.5a 2.5a 3a 3a 3a 2.6 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 2.8 0 -20 +20 0 -20 +20 0 -20 transversal Resistencia a tracción σt kp/mm² mínimomáximo (2) (2) Resiliencia Energía absorbida ρ kp/min Temperatura de ensayo +20 °C 2.5a 2.5a 2.5a Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 79 (1) En los aceros de tipo A52 el espesor límite de 40 mm se sustituye por 36 mm. (2) Salvo acuerdo en contrario, no será objeto de rechazo si en la resistencia a tracción se obtienen 2 kp/mm² de menos. Tampoco si en los aceros de grados c y d se obtienen 2 kp/mm² de más. - COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES NBE EA- 95 En la tabla siguiente se definen los límites de contenido de carbono C, fósforo P, azufre S, y nitrógeno N2, para la colada y para los productos, como resultado de los análisis efectuados según los métodos normalizados Clases de acero A42b A42c Estado de desoxidación (1) Espesor A37b A37b A37c A37d E ≤ 10 mm NE NE A42d A52b A52c (5) (5) NE NE K K NE NE A52d K 0.17 0.17 0.17 0.17 0.22 0.20 0.20 0.22 0.20 0.20 0.17 0.17 017 0.17 0.22 0.20 0.20 0.24 0.20 0.20 > 10 mm ≤ 16 mm C % máx > 16 mm Sobre colada ≤ 40 mm > 40 mm Sobre 0.20 0.20 0.20 0.20 0.24 0.22 0.22 0.24 0.22 0.220(2) - 0.20 0.20 0.20 0.24 0.22 0.22 0.24 0.22 0.22 P % máx 0.050 0.050 0.045 0.040 0.050 0.045 0.040 0.050 0.045 0.040 S % máx 0.050 0.050 0.045 0.040 0.050 0.045 0.040 6.050 0.045 0.040 N2 (3) % máx 0.007 0.009 0.009 C % máx ≤ 10 mm 021 - 0.009 0.009 - 0.009 0.009 0.19 0.19 0.19 0.25 0.23 0.23 0.25 0.22 0.22 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua producto 80 > 10 mm ≤ 16 mm 021 0.19 0.19 0.19 0.25 0.23 0.23 0.27 0.22 0.22 > 16 mm ≤ 40 mm > 40 mm 0.25 0.23 0.23 0.23 0.27 0.25 0.25 0.27 0.24 0.22º(2) - 0.23 0.27 0.23 0.27 0.25 0.25 0.27 0.24 0.24 P % máx 0.065 0.060 0.055 0.050 0.060 0.055 0.050 0.060 0.055 0.O50 S % máx 0.065 0.060 0.055 0.050 0.060 0.055 0.050 0.060 0.055 0.050 N2 (4) % máx 00.010 0.010 009 - 0.010 0.010 - 0.010 0.010 - (1) E: Efervescente; NE: No efervescente, sin elementos fijadores de N2; K: Calmado, para conseguir grano fino, mediante elementos fijadores N2 (2) Hasta espesor de 30 mm. Para espesor > 30 mm: 0.22% sobre colada: 0.24% sobre producto. (3) Puede admitirse máximo de N2: 0.010; 0.011; 0.012. En aceros fabricados en horno eléctrico el límite es 0.012%. Si el máximo P se reduce en: 0.005; 0.010; 0.015. (4) Puede admitirse máximo de N2: 0.011; 0.012. En aceros fabricados en horno eléctrico el límite es 0.015%. Si el máximo P se reduce en: 0.005; 0.010. (5) En los aceros de tipo A52 se exige además: si máximo 0.55%; Mn máximo 1.60%. - ACERO PARA PERFILES HUECOS El acero comercial para perfiles huecos incluidos en la NBE EA-95 es el acero A42b, no aleado, según la clasificación de la norma UNE 36 004 (EN 10 020). Características mecánicas de la chapa de acero A42b empleada para la fabricación de perfiles huecos conformados en frío Límite elástico σe ≥ 26 kp/mm² Resistencia a tracción σt ≥ 42 kp/mm² ≤ 53 kp/mm² Alargamiento de rotura δ ≥ 24% Doblado Satisfactorio realizando el ensayo según UNE 7 472 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 81 Salvo acuerdo en contrario, la chapa no será objeto de rechazo si en la resistencia a tracción se obtienen 2 kp/mm² de menos. Características mecánicas de los perfiles huecos conformados en frío Límite elástico σe ≥ 26 kp/mm² Resistencia a tracción σt ≥ 42 kp/mm² Alargamiento de rotura δ ≥ 20% Doblado Satisfactorio realizando el ensayo según UNE 7 472 Aplastamiento Satisfactorio realizando el ensayo según UNE 7 208 Salvo acuerdo en contrario, los perfiles huecos no serán objeto de rechazo si en la resistencia a tracción se obtienen 2 kp/mm² de menos. Las características mecánicas de los perfiles huecos laminados en caliente se indican en la UNE EN 10210-1 Composición química del acero conformado en frío Carbono C Azufre S Fósforo P Nitrógeno N2 % máximo % máximo % máximo % máximo Colada Producto 0.22 0.25 0.050 0.060 0.050 0.009 0.045 0.010 0.040 0.011 0.035 0.012 0.060 0.010 0.055 0.011 0.050 0.012 - El límite de N2 depende del contenido de P, con los valores que figuran en cada fila. - En los aceros al horno eléctrico el límite máximo N2, en todos los casos, es de 0.012 por 100 sobre colada y de 0.015 por 100 sobre producto. La composición química de los perfiles conformados en caliente se especifica en la UNE EN 10 210-1. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 82 - ACERO PARA PERFILES Y PLACAS CONFORMADOS El acero para los perfiles y placas conformados incluidos en la NBE EA-95 es el acero conformado A37b, no aleado, según la clasificación de la norma UNE 36 004 (EN 10 020). No se consideran incluidos los perfiles y placas conformados fabricados con otros aceros de características superiores a las del A37b, lo cual no impide que puedan utilizarse. Características mecánicas del acero A37b de los perfiles y placas conformados Límite elástico σe ≥ 24 kp/mm² Resistencia a tracción σt ≥ kp/mm² Alargamiento de rotura τ ≥ 26% Doblado Satisfactorio realizando el ensayo según UNE 7 472 Salvo acuerdo en contrario, el acero no será objeto de rechazo sin en la resistencia a tracción se obtienen 3 kp/mm² de menos. Composición química que garantiza el fabricante para el acero A37b de perfiles o placas conformados Carbono C % máximo Colada Producto 0.17 0.21 Azufre S Fósforo P Nitrógeno N2 % máximo % máximo % máximo 0.050 0.060 0.050 0.009 0.045 0.010 0.040 0.011 0.035 0.012 0.060 0.010 0.055 0.011 0.050 0.012 - El límite de N2 depende del contenido de P, con los valores que figuran en cada fila. - En los aceros al horno eléctrico el límite máximo de N2 en todos los casos es de 0.012 por 100 sobre colada y de 0.015 por 100 sobre producto. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 2.1.2 FUNDICIONES DE HIERRO Se consideran los siguientes apartados: 2.1.2.1 PROPIEDADES TECNOLÓGICAS 2.1.2.2 APLICACIONES EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUA 2.1.2.1 PROPIEDADES TECNOLÓGICAS DE LAS FUNDICIONES DE HIERO. - FUNDICIONES DE HIERRO - PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LAS FUNDICIONES DE HIERO - CLASIFICACIÓN DE LAS FUNDICIONES. - FUNDICIONES GRISES - FUNDICIONES DÚCTILES, NODULARES O ESFEROIDALES - FUNDICIONES BLANCAS - FUNDICIONES MALEABLES - FUNDICIONES ATRUCHADAS - FUNDICIONES ALEADAS 83 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 84 FUNDICIONES DE HIERRO Las fundiciones son aleaciones Fe-C que pueden contener desde el 2 % al 6,67 % de C, aunque debido a la fragilidad que confiere este elemento, la composición química normal de las fundiciones es: 2,0 a 4,0 % de C, 3 % de Si, y en menor proporción otros elementos para controlar o variar ciertas propiedades. Se establecen los siguientes límites en la composición de las fundiciones no aleadas: Si < 5 % ; Mn < 1,5 %; Ni < 0,3 %; Cr < 0,20 %; Cu < 0,30 %; Ti < 0,10 %; V < 0,10 %; Mo < 0,10 %; Al < 0,10 Las fundiciones suelen tener alto contenido de fósforo. Cuando el % de fósforo es mayor de 0,06 % aparece el cosntituyente steadita que provoca endurecimiento y fragilidad en la fundición, por ello conviene limitar el contenido en fósforo que, como ventaja, aporta a las fundiciones una gran resistencia al desgaste y a la corrosión. PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LAS FUNDICIONES DE HIERRO Las fundiciones de Fe originan aleaciones fundidas de excelentes propiedades, puesto que funden a temperatura relativamente baja, son muy fluidas en estado líquido y no forman películas superficiales indeseables cuando se vierten y solidifican, con una contracción ligera a moderada durante la fundición y el enfriamiento. Estas aleaciones tienen además un amplio rango de resistencia y dureza, y en la mayoría de los casos son fáciles de mecanizar, con la posibilidad de ser aleadas para adquirir una resistencia superior al desgaste, abrasión y corrosión. Sin embargo, las fundiciones ordinarias tienen, relativamente, baja resistencia al impacto y poca ductilidad, y esto limita su utilización para algunas aplicaciones. Estas desventajas han sido eliminadas con el desarrollo de las fundiciones dúctiles y maleables. A continuación se resumen de forma general, las principales ventajas y desventajas de las fundiciones ordinarias en relación a los aceros. Ventajas generales de las fundiciones ordinarias en relación a los aceros - Funden más fácilmente, necesitando temperaturas considerablemente más bajas que los aceros para conseguir su fusión. Presentan mejor colabilidad que los aceros, lo cual permite la obtención de piezas moldeadas con formas complicadas y cambios bruscos de sección, que resultarían difíciles de obtener a partir de la forja de aceros. La mecanización de la fundición es en general más fácil que la mecanización del acero. Presentan muy buena resistencia al desgaste y poseen cualidades autolubricantes. Tienen gran capacidad para absorber vibraciones. Las piezas de fundición son generalmente más baratas que fabricadas de acero. Desventajas genéricas de las fundiciones en relación a los aceros - Las fundiciones ordinarias son menos dúctiles y más frágiles que los aceros Presentan menor resistencia mecánica. No pueden laminarse ni deformarse a temperatura ambiente. Todas las piezas de fundición se obtienen por moldeo o colada, ya que no admiten forja debido a su fragilidad. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 85 CLASIFICACIÓN DE LAS FUNDICIONES. Las variables más interesantes a considerar para la clasifiaciónde las fundiciones son: - % deC - % de elementos de aleación e impurezas - Velocidad de enfriamiento - Tratamiento térmico recibido En función de los parámetros anterirores, las fundiciones de hierro se clasifican en: 1) Fundiciones ordinarias - Blanca. - Gris. - Atruchada. 2) Fundiciones aleadas. 3) Fundiciones especiales: - Fundición dúctil - Fundición maleable Excepto en las fundiciones blancas, lo característico de las fundiciones es que el C está en forma de grafito, pudiendo aparecer como láminas, rosetas o nódulos. El grafito es una forma alotrópica de carbono puro. Es blando, de color gris oscuro, exfoliable y de baja resistencia mecánica. En términos generales, el grafito mejora las propiedades de resistencia al desgaste y la corrosión, actúa como lubricante y facilita la maquinabilidad La morfología que presente el grafito en la microestructura de la fundición influirá decisivamente en las propiedades mecánicas. Cuando el grafito está en forma de rosetas o nódulos las propiedades mecánicas son mejores (es mayor la resistencia mecánica, el módulo de elasticidad, la ductilidad, tenacidad y plasticidad ) que cuando se presenta en forma laminar (fundiciones grises normales). A continuación se muestran, de forma equemática, los distintos tipos de fundiciones de Fe y sus características principales: Fundiciones Grises C en laminillas de grafito Limit.elastico ≅ 2000 kg/cm2 → Fundiciones Dúctiles C en forma de nódulos o esferas de grafito ↑ Limit.elastico, ↑ alargamiento de rotura, ↑ Resist. mecánica ↑Ductilidad, ↑tenacidad. Fundiciones Blancas (el C está como cementita) → Fundiciones Maleables (F.M.) a) F. M. de Corazón Blanco b) F. M. de Corazón Negro: Fe3C → C (rosetas) + Ferrita. Fundiciones Atruchadas Fundiciones Aleadas Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 86 FUNDICIONES GRISES Las fundiciones grises son aleaciones Fe – C, normalmente hipoeutécticas, con un contenido de C entre el 2,5 y el 4,0 % y entre el 1,5 % y el 2,2 % de silicio. Puesto que el silicio es un elemento estabilizante del grafito, se utiliza un contenido relativamente alto de silicio para provocar la formación de grafito en las fundiciones grises. La fundición gris se origina porque el contenido de carbono en la aleación es superior al que puede disoverse en la austenita y, al enfriar hasta temperatura ambiente, da lugar a laminillas de grafito. Cuando una pieza de fundición gris se rompe, la superficie de fractura aparece gris a causa del grafito expuesto. La velocidad de solidificación de la fundición influye en dos aspectos: - Velocidades moderadas y bajas de enfriamiento favorecen la formación de grafito. - Afecta al tipo de microestructura: Las velocidades moderadas de enfriamiento favorecen la formación de una matriz perlítica, mientras que las velocidades bajas favorecen una matriz ferrítica. Para producir una matriz completamente ferrítica en una fundición gris sin alear, normalmente se le somete a un proceso de recocido para que el carbono que queda en la matriz se deposite en láminas de grafito, resultando una matriz completamente ferritica. En resumen, dependiendo de la velocidad de enfriamiento de la fundición gris a través de la temperatura eutectoide, se obtienen las siguientes microestructuras: a) Matriz Ferrítica y grafito en forma de láminas: si el enfriamiento es lento. b) Matriz Perlítica y grafito en forma de láminas: si el enfriamiento es rápido. c) Matriz de Ferrita y Perlita, y grafito en forma de láminas: si la velocidad del enfriamiento es intermedia. Este tipo de microestructura es el que presenta la fundición gris ordinaria, que además contiene del 0,4 al 0,6 % de carbono combinado en forma de cementita (Fe3 C). Puesto que las dimensiones de la pieza influyen en la velocidad de enfriamiento, el tamaño puede afectar a la microestructura resultante. Las propiedades mecánicas de las fundiciones grises están influenciadas notablemente por el tamaño y forma de las laminillas de grafito, ya que estas actúan como grietas o entallas que provocan microdiscontinuidades en la sección de la pieza, disminuyendo la resistencia a tracción, tanto más cuanto mayor es la longitud de las láminas de grafito. Puede conseguirse que las láminas de grafito sean pequeñas aumentando la velocidad de enfriamiento de la fundición, aunque el mejor medio para lograrlo consite en añadir elementos como el Cu, Al, Ti, Zr, carburo de silicio, siliciuro cálcico, etc, sustancias a las que se denomina inoculantes. Ventajas de las fundiciones grises Las fundiciones grises han sido muy empeleadas, por presentar las siguientes ventajas 1. Es uno de los materiales metálicos más baratos. Son más baratas que el acero, ya que su temperatura de fusión son 1154º C, mientras que la del acero puede ser del orden de 1500 ºC. 2. Tienen mejor colabilidad que los aceros.A la temperatura de colada tienen elevada fluidez, lo que permite moldear piezas de formas intrincadas mejor que con el acero. Además, las piezas moldeadas presentan poca contracción al enfriarse. 3. Tienen propiedades mecánicas similares a los aceros cuando trabajan a compresión. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 87 4. Las láminas de grafito presentes en su microestructura les confiere una gran capacidad de absorción de vibraciones (superior al acero), de ahí su utilización para las bancadas de las máquinas y equipos que vibran. 5. Tienen también gran resistencia al desgaste. Su dureza se halla entre las 200 y 250 unidades Brinell 6. Buenas cualidades autolubricantes, por la presencia de grafito. 7. Se mecanizan fácilmente, con más facilidad que los aceros, ya que el grafito actúa como un lubricante (disminuyendo el rozamiento) y facilitando el desprendimiento de la viruta producida. 8. Tienen una gran resistencia a la corrosión; por eso son muy empleadas para la fabricación de piezas que han de quedar a la intemperie. - Desventajas de las fundiciones grises Las fundiciones grises presentan las siguientes desventajas en relación a los aceros: 1. Debido a la discontinuidad estructural que provocan las láminillas de grafito, las fundiciones grises son más frágiles, y menos resistentes a tracción que los aceros, y presentan alarrgamientos de rotura muy bajos. La resistencia a la tracción de las fundiciones grises ordinarias oscila entre 1500 y 2500 kg/cm2, no superando nunca los 3000 kg/mm2. 2. No se pueden laminar (no son forjables). 3. La soldadura es muy problemática. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 88 Características y aplicaciones de las funciones grises Tipo de Fund. Gris ENGJL150 ENGJL180 ENGJL200 ENGJL250 ENGJL300 Resistencia a la tracción N/mm2 150-250 180-280 200-300 250-350 300-400 0.1% límite de elasticidad N/mm2 98-165 110-180 130-195 165-228 195-260 Alargamiento de la rotura A% 0.8-0.3 0.8-0.3 0.8-0.3 0.8-0.3 0.8-0.3 Resistencia a la compresión N/mm2 600 670 720 840 960 0.1 % límite de compresión N/mm2 195 235 260 325 390 Flexión estática N/mm2 250 270 290 340 390 Resistencia al Cizallamiento N/mm2 170 210 230 290 345 Resistencia a la torsión N/mm2 170 210 230 290 345 Módulus de elasticidad N/mm2 61-100 75-105 85-110 105-120 110-135 Coeficiente de Poisson v 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26 Dureza Brinell (s/espesor) HB30 160-190 170-200 180-220 190-230 200-275 Densidad g/cm3 7.10 7.10 7.15 7.2 7.25 Fundición Gris Según Norma EN-GJL-150 UNE-EN 1561 EN-GJL-200 UNE-EN 1561 EN-GJL-250 UNE-EN 1561 - Aplicaciones Típicas: - EN GJL (FGL) 100 a 250: fundiciones muy conocidas para los usos clásicos en compresión, buena mecanización, buena capacidad de amortiguamiento. - EN GJL (FGL) 250 a 300: son las fundiciones laminares más utilizadas en construcción de máquinas herramientas. - EN GJL (FGL) 300 a 400: fundiciones ligeramente aleadas, de grano fino, HB 200- 240, que permiten eventuales tratamientos de superficie. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 89 Características de las fundiciones (Nomenclatura según normas DIN) Tipo de Fund. Gris Resistencia a la tracción GG15 GG18 GG20 GG25 GG30 N/mm2 150-250 180-280 200-300 250-350 300-400 0.1% límite de elasticidad N/mm2 98-165 110-180 130-195 165-228 195-260 Alargamiento de la rotura 0.8-0.3 0.8-0.3 0.8-0.3 0.8-0.3 0.8-0.3 A% Resistencia a la compresión N/mm 2 600 670 720 840 960 0.1 % límite de compresión N/mm 2 195 235 260 325 390 N/mm 2 250 270 290 340 390 Resistencia al Cizallamiento N/mm 2 170 210 230 290 345 2 170 210 230 290 345 Flexión estática Resistencia a la torsión Módulus de elasticidad Coeficiente de Poisson Dureza Brinell (s/espesor) Densidad N/mm 2 N/mm 61-100 75-105 85-110 105-120 110-135 v 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26 HB30 160-190 170-200 180-220 190-230 200-275 g/cm3 7.10 7.10 7.15 7.2 7.25 FUNDICIONES DÚCTILES, NODULARES O ESFEROIDALES En las fundiciones dúctiles, también conocidas como fundiciones nodulares o esferoidales, prácticamente todo el carbono que contienen se encuentra en forma de nódulos de grafito muy redondeados, con un diámetro aproximado de 50 µm. El contenido en carbono de la fundición dúctil sin alear varía del 3,0 al 4,0 % de C, y el contenido en Si del 1,8 al 2,8 %. Los niveles de azufre y fósforo de la fundición dúctil de alta calidad deben ser mantenidos en un valor muy bajo: 0,03 % de S como máximo, y un 0,1 % de P como máximo, siendo alrededor de 10 veces más bajos que los niveles máximos para la fundición gris. Asimismo, las cantidades de otros elementos impurificantes se deben mantener bajas, porque interfieren con la formación de nódulos de grafito. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 90 Para su fabricación se parte de fundiciones grises ordinarias. La formación de nódulos esféricos en la fundición dúctil tiene lugar durante la solidificación de la aleación, debido a que los niveles de azufre y oxígeno en el hierro son reducidos a niveles muy bajos mediante adición de magnesio al metal justo antes de que sea fundido. Ell magnesio añadido reaccionará con el azufre y oxigeno existentes, de modo que estos elementos no puedan interferir en la formación de nódulos esféricos de grafito. El resultado es que al estar el C en forma de nódulos, interrumpe menos la matriz de la aleación que si fuesen laminillas, con lo que el producto obtenido presentará una combinación de las ventajas de las fundiciones férreas juntocon las ventajas del acero. La fundición dúctil posee buena fluidez y moldeabilidad, excelente capacidad de mecanización y buena resistencia, tenacidad, ductilidad, trabajabilidad en caliente y templabilidad. Su ductilidad es similar a los aceros y mucho mayor que las funcidicones grises, presentando valores de resistencia a tracción hasta de 90 kg/mm2, y una considerable deformación sin fractura (alargamiento de rotura del orden del 15%). La microestructura de la fundición dúctil sin alear es normalmente de tipo “ojo de buey”. Esta estructura consta de una matriz de ferrita, perlita o ferrita + perlita y grafito en forma de nódulos redondeados. Se diferencian de las fundiciones maleables por ser los nódulos de grafito mucho más redondeados, y por que se obtienen directamente desde el líquido, añadiendo una pequeña cantidad de magnesio, como se ha mencionado. - Características y aplicaciones de las funciones dúctiles Tipo de Fund. Dúctil EN-GJS40018 ENGJS400 ENGJS500 ENGJS600 ENGJS700 Resistencia a la tracción N/mm2 400 400 500 600 700 0.2% límite de elasticidad N/mm2 250 250 320 380 440 Alargamiento min. % 18 15 8 4 3 Dureza Brinell HB30 120-160 140-190 170-220 200-250 235-285 Módulo de elasticidad N/mm2 170 170 173 175 175 Resistencia a la compresión N/mm2 700-900 750-950 850-1100 100-1200 1100-1300 Resistencia al Cizallamiento N/mm2 Densidad g/cm3 7.1 7.1 7.1 7.1 7.1 0.2% límite de compresión N/mm2 275 275 350 380 425 Coeficiente Poisson v 0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 0.9 x tensile stress limit Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 91 Fundición de Grafito Esferoidal Según Norma EN-GJS-400-15 UNE-EN 1563 EN-GJS-500-7 UNE-EN 1563 EN-GJS-600-3 UNE-EN 1563 EN-GJS-700-2 UNE-EN 1563 Aplicaciones Típicas: - EN GJS 350-22 (FGS): Fundición ferrítica de baja dureza HB<150, recomendada por su resistencia a los golpes y las bajas temperaturas - EN GJS 400-15 (FGS): fundición ferrítica fundida en bruto HB < 180. Es el material más común. - EN GJS 500- 7 (FGS): Fundición ferrítico perlítica fundida en bruto HB 150 a 200. Material de transición entre 400/12 y 600/3 comparable al acero colado. - EN GJS 600 – 3 (FGS): Fundición perlítica dura HB 190 a 270 utilizada en piezas de rozamiento o resistencia a la tracción elevadas. Desaconsejada si se han de producir golpes. - EN GJS 700-2 (FGS): Fundición perlítica muy dura HB 230-300. Particularmente utilizada para la nitruración iónica y los tratamientos de superficie. - EN GJS 800-2 (FGS): Fundición ligeramente aleada y tratada térmicamente. Resistencia elevada. HB 250- 350. Nomenclatura de las Fundiciones Dúctiles según normas DIN Tipo de Fund. Dúctil GGG40.3 GGG40 GGG50 GGG60 GGG70 Resistencia a la tracción N/mm2 400 400 500 600 700 2 250 250 320 380 440 18 15 8 4 3 0.2% límite de elasticidad N/mm Alargamiento min. % Dureza Brinell HB30 Módulo de elasticidad Resistencia a la compresión N/mm 2 170 170 173 175 235-285 175 N/mm2 700-900 750-950 850-1100 100-1200 1100-1300 Resistencia al Cizallamiento N/mm2 Densidad g/cm3 0.2% límite de compresión N/mm Coeficiente Poisson 120-160 140-190 170-220 200-250 v 2 0.9 x tensile stress limit 7.1 7.1 7.1 7.1 7.1 275 275 350 380 425 0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 92 FUNDICIONES BLANCAS Se denominan así porque las superficies de fractura tienen un aspecto cristalino brillante o «blancas». Son aleaciones hipoeutécticas (%C < 4,3%) cuya principal característica es que todo el C está como carburo de hierro (cementita) Fe3C, no existiendo carbono libre como grafito. Vienen a ser como aceros con alto contenido en C y siguen el diagrama Fe- Fe3C, igual que los aceros. Para que el carbono esté en la forma de carburo de hierro se deben mantener relativamente bajos los contenidos de carbono y silicio: 2,5-3 % de C y 0,5 a 1,5 % de Si y alta velocidad de solidificación. En relación con otras fundiciones se caracterizan, por tanto, por un bajo contenido en Si y por una elevada velocidad de enfriamiento. La microestructura típica de las fundiciones blancas a temperatura ambiente está constiruida por dendritas de perlita en una matriz blanca de cementita. La cementita es un compuesto intersticial duro y frágil. Como las fundiciones blancas tienen mucha cementita son materiales duros, con gran resistencia al desgaste y a la abrasión, pero muy frágiles o quebradizos y difíciles de mecanizar; por ello, las fundiciones blancas se usan muy poco como tales, siendo su principal aplicación como material bruto a partir del cual se obtiene la fundición maleable A continuación, se resumen sus características principales: - Dureza muy alta (300 a 400 Brinell) - Casi imposibles de mecanizar - Se utilizan como materia prima para la obtención de las fundiciones maleables - Uso en piezas con fuertes desgastes: mazos de trituradores, cilindros de laminadores, etc. FUNDICIONES MALEABLES Las Fundiciones Maleables se obtienen realizando un tratratamiento térmico (tratamiento de maleabilización ) a las fundiciones blancas. Su composición química es la siguiente: del 2,0 al 2,6 % de C y 1,1 a 1,6 % de Si. El tratamiento térmico de maleabilización tiene por objeto transformar todo el carbono de la cementita ( Fe3C ) en rosetas de grafito y ferrita. Cementita(Fe3C) → Ferrita + C (rosetas) Según la técnica seguida en el tratamiento de maleabilización, se originan dos tipos de fundiciones maleables: 1) Fundiciones maleables europeas o de “corazón blanco” La superficie de la pieza es sólo de ferrita, mientras que en el centro hay Ferrita, Ferrita con Perlita o sólo Perlita. Se denominan de corazón blanco porque no suele quedar grafito en el interior ( al romper la pieza aparece como blanca), aunque si la descarburación no ha sido completa, en el centro puede existir grafito en forma de rosetas. 2) Fundiciones maleables americanas o de “ corazón negro ”. En este tipo de fundiciones, tras el tratamiento térmico queda grafito en forma de rosetas y, por tanto, al romper la pieza las superficie de fractura aparece como oscura, de ahí su apelativo “corazón negro ”. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento en el tratamiento de maleabilización, se originarán las siguientes microestructuras: a) Fundición maleable con matriz ferrítica: si el enfriamiento se realiza lentamente. b) Fundición maleable con matriz perlítica: si el enfriamiento se realiza rápidamente. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 93 c) Fundición maleable en “ ojo de buey ”: si el enfriamiento se realiza a una velocidad intermedia. Esta microestructura está formada por rosetas de grafito, rodeadas por ferrita y el conjuunto rodeado por perlita. - Propiedades y aplicaciones de las fundiciones maleables: Las fundiciones maleables son más dúctiles y tienen mayor resistencia mecánica que las fundiciones grises. Su aplicación más importante es en la industria automovilística y de producción de máquinas agrícolas, para obtener ejes, soportes, horquillas, etc. También son muy empleadas para empalmes roscados de tubos. Su limitación más importante es de carácter dimensional, ya que no es posible la construcción de piezas muy gruesas con la microestructura deseada. FUNDICIONES ATRUCHADAS Las fundiciones atruchadas son un caso intermedio entre las fundiciones blancas y las fundiciones grises, ya que parte del carbono se halla en forma de cementita y otra parte está como grafito. Se obtienen colando el caldo en un molde metálico. De esta forma, la superficie de la pieza se enfría rápidamente y da lugar a una fundición blanca, mientras que el centro de la pieza se enfría léntamente y da lugar a una fundición gris. La zona de transición entre la fundición blanca y la fundición gris se llama fundición atruchada. Sus propiedades resultan intermedias entre la fundición blanca y la gris, y recibe su nombre por tener el color parecido al de las truchas. FUNDICIONES ALEADAS Las fundiciones aleadas son aquellas que contienen en cantidad superior al 0,3 % los siguientes elementos: Cr, Cu, Ni, Mo, V. Las fundiciones aleadas poseerán diferentes aplicaciones en función de los elementos de aleación, así: - Las fundiciones al Silicio se utilizan en instalaciones de la industria química. Son muy frágiles y no mecanizables. - Las fundiciones al Cromo, presentan una buena resistencia al calor y a la corrosión, por lo que se emplean en la construcción de rejillas de hornos. - Las fundiciones al Cu presentan elevada resistencia a la corrosión y la maleabilidad. Se utilizan en lementos de máquinas herramienta tal como engranajes, volantes, cigüeñales... - Las fundiciones al Ni son las más resistentes al la corrosión y a la oxidación. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 94 2.1.1.2 APLICACIÓN DE LAS FUNDICIONES DE HIERRO EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO Y CONDUCCIÓN DE AGUA La fundición de hierro será la primera opción a considerar cuando se trata de piezas obtenidas mediante moldeo ( presentan detalles o formas complicadas, como carcasas de bombas, motores y válvulas, rodetes, etc.) y que no requieran de operaciones posteriores de conformado ( doblado, soldadura, etc). Hay que destacar como ventajas comparativas respecto al acero : su menor precio, mejor colabilidad (aptitud para reproducir los detalles de las piezas obtenidas por moldeo), resistencia al desgaste, capacidad de absorber vibraciones (interesante para carcasas de máquinas rotodinámicas con pequeños fallos de alineación y para absorber vibraciones por el paso de fluidos a través de válvulas parcialmente abiertas), propiedades mecánicas similares al acero en caso de usarse fundición dúctil, e igual o superior resistencia a la corrosión (según se observa en la serie galvánica de los metales en agua de mar). Limitaciones de uso: Las fundiciones de hierro son adecuadas para ambientes levemente corrosivos (por ejemplo para el servicio de agua) recomendandose su uso para condiciones de pH entre 6 y14. En la bibiliografía se indica que no deben emplearse con vapor ni agua sobrecalentada y, en general, nunca por encima de 140 ºC. En la Lámina 1 se muestran aplicaciones típicas de las fundiciones en las instalaciones de tratamiento y de agua. Posteriormente aparecerán también aplicaciones muy típicas de las fundiciones en los apartados dedicados a materiales para bombas, válvulas y tuberías. En la Lámina 2 se muestran las propiedades más importantes de las fundiciones normalmente utililzadas en las instalaciones de tratamiento de agua. Obsérvese el aumento en el alargamiento de rotura de las fundiones dúctiles en relación a las fundiciones grises ordinarias. APLICACIÓN DE LAS FUNDICIONES DE HIERRO EN LAS INSTALACIONES MATERIALES METÁLICOS / FUNDICIONES DELámina HIERRO 1 DE TRATAMIENTO Y CONDUCCIÓN DE AGUA MECANISMO ACCIONAMIENTO DE COMPUERTAS EMBALSE CARCASA DE BOMBAS Y MOTORES REDUCTOR ACCIONAMIENTO TURBINA DECANTADOR TUBERÍAS ACCESORIOS PARA TUBERÍAS CARCASA DE VÁLVULAS 95 APLICACIÓN DE LAS FUNDICIONES DE HIERRO EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO Y CONDUCCIÓN DE AGUA Lámina 2 FUNDICIÓN GRIS GG20 EN-GJL200 GG25 EN-GJL250 GG30 EN-GJL300 Resistencia a la tracción N/mm2 200-300 250-350 300-400 0.1% límite de elasticidad N/mm2 130-195 165-228 195-260 Alargamiento de la rotura A% 0.8-0.3 0.8-0.3 0.8-0.3 Dureza Brinell (s/espesor) HB30 180-220 190-230 200-275 96 σ σrotura ε FUNDICIÓN DÚCTIL GGG40 EN-GJS400 GGG50 EN-GJS500 GGG60 EN-GJS600 Resistencia a la tracción N/mm2 400 500 600 0.2% límite de elasticidad N/mm2 250 320 380 Alargamiento min. % 15 8 4 Dureza Brinell HB30 140-190 170-220 200-250 Módulo de elasticidad N/mm2 170 173 175 Alargamiento de rotura Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 97 2.1.3 ACEROS INOXIDABLES Se consideran los siguientes apartados: 2.1.3.1 PROPIEDADES TECNOLÓGICAS 2.1.3.2 CORROSIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES 2.1.3.3 RECOMENDACIONES PARA EL MANTENIMIENTO Y LIMPIEZA DEL ACERO INOXIDABLE 2.1.3.4 SELECCIÓN DE ACEROS INOXIDABLES 2.1.3.5 TABLAS DE PROPIEDADES DE ACEROS INOXIDABLES 2.1.3.6 APLICACIONES EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUA 2.1.3.1 PROPIEDADES TECNOLÓGICAS DE LOS ACEROS INOXIDABLES - DEFINICIÓN DE ACERO INOXIDABLE - CLASIFICACIÓN Y DESIGNACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES - ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS - ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS - ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS - ACEROS INOXIDABLES DÚPLEX O AUSTENOFERRÍTICOS - ACEROS INOXIDABLES ENDURECIBLES POR PRECIPITACIÓN (PH) - SELECCIÓN DE ACEROS INOXIDABLES Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 98 DEFINICIÓN DE ACERO INOXIDABLE Los aceros inoxidables se pueden definir como aleaciones férreas que contienen al menos un 12 % de cromo. La adición de cromo a las aleaciones hierro-carbono provoca una disminución apreciable de su velocidad de corrosión en la atmósfera, anulándose prácticamente cuando el contenido en Cr alcanza el 11 % en peso, tal como se muestra en la figura siguiente. A estas aleaciones, que además pueden incluir otros elementos en menor proporción, se les dio el nombre de aceros inoxidables. Influencia del contenido en Cr en la velocidad de corrosión de aleaciones Fe-Cr en contacto con la atmósfera El mecanismo de protección que ejerce el cromo consiste en la formación de una película de óxidos de cromo muy adherente en la superficie del acero, que lo pasiva. Cuando esta pelíucla se rompe, se regenera de inmediato en presencia de oxígeno. Por tanto, un calificativo más apropiado que el de “inoxidables” sería el de “autopasivables” ya que a pesar de su buena resistencia a la corrosión, en determinados ambientes los aceros que denominamos inoxidables presentan una oxidación evidente. En la mayoría de los aceros inox. el contenido máximo de cromo es de alrededor del 30%, y el contenido mímimo de hierro es de 50 %. Normalmente, el carbono está presente en proporción de 0,03 por ciento hasta un máximo de 1,2 % en ciertas variedades martensíticas. Otros elementos que se agregan a estos aceros para mejorar características específicas son el níquel, molibdeno, cobre, titanio, aluminio, silicio, niobio, nitrógeno, azufre y selenio. CLASIFICACIÓN Y DESIGNACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES Los aceros inoxidables se clasifican en 5 grandes grupos. Los cuatro primeros se basan en la la microestructura que presentan a temperatura ambiente (ferríticos, martensíticos, austeníticos y dúplex ó austenoferríticos), y la quinta clase se caracteríza por presentar endurecimiento por precipitación (aceros inoxidables PH). La denominación más ampliamente usada para designar los ac. inox. es la AISI ( del American Iron and Steel Institute ), que consiste en un número de tres dígitos. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 99 - Designación según normas AISI - Las series 200 y 300 son aceros inox. austeníticos (contienen Ni ) Serie 200: Contienen Nitrógeno Se designan por un número de tres cifras que comienza con la cifra 2, (2XX), en el que las dos últimas cifras (indicadas como XX) no se refieren al análisis del material, utilizándose para distinguir un tipo de otro. Serie 300: Contienen una mayor proporción en Ni que los de la serie 2XX. Se designan por un número de tres cifras que comienza con la cifra 3, (3XX), como por ejemplo 3XX, donde las dos últimas cifras se utilizan para distinguir un tipo de otro. El acero básico de este grupo es el AISI 304. - La serie 400 (4xx) corresponde a aceros inox. ferríticos o martensíticos. Ac. Inox. Martensíticos El acero básico de este grupo es el AISI 420. Ac. Inox. Ferríticos. El acero básico de este grupo es el AISI 430 Los tipos AISI 442 y AISI 446 son los Ac. Inox. Superferríticos Normas UNE-EN: La UNE-EN 10088, edición 1997, está dividida en 3 partes: a) UNE-EN 10088-I. Lista de los aceros inoxidables con su composición química y características físicas, y en el apéndice la descripción de los tipos o familias. b) UNE-EN 10088-2. Condiciones técnicas de suministro de chapas y flejes laminados en caliente y en frío, referencias normativas. c) UNE-EN 10088-3. Con referencia a semiproductos, barras, alambres y perfiles para uso general. ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS Composición química Los aceros inox austeníticos, además de Fe, Cr y C, incluyen al Ni como elemento mayoritario. En términos generales, estos aceros contienen de 16 a 26 por ciento de cromo, entre el 7 y 35 % de níquel y hasta un 2 % de manganeso, ya que el níquel y el manganeso son los principales formadores de austenita. Vease la Tabla_Acx1 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 100 Según la denominación AISI, los ac. inox. austeníticos están agrupados en las series 2XX y 3XX. La serie 2XX contiene algo de nitrógeno, hasta 7 % de Ni, y requiere de 5 a 20 % de Mn para aumentar la solubilidad del nitrógeno en austenita y para prevenir la formación de martensita. El nitrógeno intersticial en solución sólida aumenta la resistencia de la austenita. La serie 3XX contiene proporciones mayores de Ni y hasta el 2% de Mn. Los tipos 301 y 304 son los más pobres y se consideran como las aleaciones básicas de la serie 3XX. - Estructura y propiedades Los ac. inox austeníticos tienen la estructura del Fe γ (cúbica centrada en las caras) tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas. La austenita (disolución de C en Fe γ) es por tanto la fase principal o única de los aceros inoxidables austeníticos a temperatura ambiente, existiendo como estructura estable o metaestable según la composición. La presencia del Ni como elemento de aleación provoca que no se transforme la austenita en el enfriamiento brusco desde altas temperaturas en las aleaciones Fe-Cr-Ni, aumentando la estabilidad de la austenita a medida que aumenta el contenido de Ni. La aleación con Mn, Co, C y N también contribuye a la, retención y estabilización de la fase austenita. Al no ocurrir la transformación de la fase austenita en el enfriamiento, estos aceros no pueden endurecerse mediante tratamiento térmico de temple y revenido. Los ac. inox austeníticos sólo se pueden endurecer por procesos de trabajo en frío o deformación intensa, como ocurre en las operaciones de maquinado o conformado en frío, provocándose la transformación de austenita en martensita, que es magnética. Las aleaciones metaestables (p. ej., 201, 202, 301, 302, 302 B, 303, 303 Se, 304, 304 L, 316, 316 L, 321, 347, 348) se transforman en parte a la fase martensita (de aquí que sean llamadas metaestables). Esta ransformación conlleva un elevado endurecimiento mecánico. Por otra parte, las aleaciones 305, 308, 309 y 309 S se endurecen mecánicamente en un grado relativamente pequeño y en todo caso llegan a ser ligeramente magnéticas. Las aleaciones que contienen más Cr y Ni (p. ej.las 310, 310 S, 314) son en esencia austeníticas estables y no se transforman en martensita ni se hacen magnéticas cuando se deforman. La austenita se deforma con facilidad, siendo característica de estos aceros su excelente ductilidad, conformabilidad y tenacidad, incluso a temperaturas criogénicas, en estado recocido. Los aceros de la serie 3XX recocidos tienen tensiones de fluencia típicas de 200 a 275 MPa, en tanto que los de la serie 2XX (ricos en nitrógeno ) pueden tener tensiones de fluencia de hasta 500 MPa. Los aceros inox. austeníticos son fácilmente soldables. La austenita es no magnética (fácilmente comprobable al no adherirse el imán) Son más resistentes a la corrosión que los aceros inox. ferríticos y martensíticos. En estado recocido su estructura está formada por ferrita y carburos de Cr. El Cr disuelto en la ferrita puede llegar a ser menor del 11 % y la matriz deja de ser inoxidable, siendo más susceptible a la corrosión. Este fenómeno es conocido como sensibilización. El acero básico de este tipo es el AISI 304, conocido como acero 18/8 o 18/10, resultando ser el acero inoxidable más utilizado. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 101 Partiendo del AISI 304 (C maximo: 0,08 %; Cr: 18 a 20 % y Ni: 8 a 10,5 %) se consiguen mejores propiedades variando las proporciones o añadiendo nuevos elementos de aleación; así tendríamos: - Para mejorar la resistencia mecánica y resistencia a la corrosión: se aumenta el contenido de Cr y Ni AISI 304 + Cr + Ni → AISI 309, 310, 314 y 330 (resistencia mecánica y a la corrosión ↑) - Podríamos además aumentar la resistencia a la corrosión en ambientes a alta temperatura a los aceros obtenidos anteriormente si se añade mas níquel AISI 309, 310, 314, 330 + Ni → Aleaciones Ni – Cr – Fe (resistencia corrosión a alta Tª ↑) - Para mejorar resistencia mecánica: se aumenta el contenido de Cr y se reduce Ni. AISI 304 + Cr - Ni → Ac. Inox. Duplex o Austenoferríticos (resist. mecánica ↑) - Para conseguir endurecimiento por precipitación: se añade Cu, Ti y Al se reduce Ni AISI 304 + Cu + Ti + Al - Ni → Aceros Inox. PH ( endurecibles por precipitación) - Para mejorar maquinabilidad: se agrega S o Se AISI 304 + S, Se → AISI 303, 303 Se (Maquinabilidad ↑) Para mejorar la resistencia a la corrosión por picaduras: se agrega Mo AISI 304 + Mo → AISI 316 (Resistencia a corrosión por picaduras ↑) AISI 316 + Mo → AISI 317 (Resistencia a corrosión por picaduras ↑) AISI 317 + Mo, Ni y N → Ac. Inox. Superausteníticos (Resistencia a la corrosión ↑) Para reducir la “sensibilización” ante los tratamientos térmicos existen las siguientes alternativas a) Disminución del % C: Variedades L (Low: bajo C) AISI 304 - C → AISI 304 L (Sensibilización↓) AISI 316 - C → AISI 316 L (Sensibilización↓) AISI 317 - C → AISI 317 L (Sensibilización↓) b) Agregar Ti: AISI 304 + Ti → AISI 321 (Sensibiliza↓) AISI 316 + Ti → AISI 316 Ti (Sensibiliza↓) Aceros Inox. Estabilizados c) Agregar Nb y Ta: AISI 304 + Nb + Ta → AISI 347 (Sensibiliz↓) En general, la resistencia a la corrosión del acero inoxidable austenítico crece con el contenido en níquel y disminuye al aumentar el contenido en cromo. Ambas tendencias se reflejan en las siguientes figuras: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 102 Influencia del contenido en Ni sobre la resistencia a la corrosión de aceros inoxidables en contacto con H2SO4 al 10% a temperatura ambiente. Influencia del contenido en Cr sobre la resis tencia a la corrosión de aceros inoxidables en contacto con H2SO4 al 10% a temperatura ambiente. La adición de pequeñas cantidades de molibdeno (entre el 1 y el 4 %) mejora de manera importante la resistencia a la corrosión del acero austenítico en contacto con ácido sulfúrico como consecuencia del aumento de estabilidad de la capa pasiva, como se muestra en la siguiente figura: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 103 Influencia de la presencia de Mo en la extensión de la zona de pasividad de aceros inoxidables tipo 18/8 en contacto con con H2SO4 a distintas temperaturas Como consecuencia de ello, también se amplía el margen de utilización con garantía del a condiciones más amplias de concentración de H2SO4 y temperatura: Influencia del contenido de Mo en el campo de utilización (Pérdida de masa inferior a 25 mg/dm2 día) de aceros inoxidables tipo 18/8 en contacto con H2SO4 a distintas temperaturas y concentraciones. - Resistencia al HCl: Los aceros inox. Austeníticos del tipo 18/8 y derivados presentan una moderada resistencia a la corrosión en contacto con HCl si la temperatura y la concentración del ácido son bajas, fundamentalmente si en la composición del acero se incluye cobre o molibdeno. El cuadro siguiente muestra las pérdidas de peso en mg/dm2, al cabo de 24 horas de exposición, de distintos aceros austeníticos en contaco con tres concentraciones de HCl a 40 ºC. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 104 Datos de pérdida de masa en mg/dm2 de tres aceros inoxidables austeníticos después de 24 horas en contacto con HCl a 40º C. Principales aplicaciones Los aceros inoxidables austeníticos constituyen la clase más grande, tanto en número de aleaciones como por sus aplicaciones, siendo el grupo de aceros inoxidables más conocido y sobresaliente por su buena resistencia a la corrosión. El tipo AISI 304 es la calidad de acero inoxidable que más se utiliza en virtud de su excelente conformabilidad, su ductilidad y su resistesistencia a la corrosión. La adición de molibdeno al tipo 304 para producir los tipos 316 y 317 consigue mejorar la resistencia ala corrosión por picaduras en ambientes con cloruros. Las calidades ricas en cromo, tipos 309 y 310, se emplean en ambientes oxidantes a alta temperatura. Las calidades ricas en níquel se utilizarn en ambientes ácidos reductores severos. Las aleaciones con alto contenido de níquel, molibdeno ( ≈ 6 % ) y nitrógeno ( ≈ 0,20 % ) se designan a veces como los superausteníticos. Se agregan titanio y niobio para estabilizar el carbono en los tipos 321 y 347 a fin de prevenir la corrosión intergranular después de ser expuestos a altas temperaturas. Las calidades con menos carbono (indicadas por L) como el 304L, también previenen la corrosión intergranular. Los aceros inoxidables austeníticos se emplean en múltiples aplicaciones como material estructural en equipos de las industrias de la alimentación y química, accesorios embellecedores de automóviles y arquitectura, etc. ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS - Composición química Los aceros inox. ferríticos se componen fundamentalmente de Fe, Cr y C. El contenido en C es relativamente bajo, y el contenido en Cr suele variar entre el 16 y el 30 %. Vease la Tabla_Acx1 El acero básico de este grupo es el AISI 430 - Estructura y propiedades Los aceros inoxidables ferríticos tienen la estructura cristalina del Fe-α (cúbica centrada en el cuerpo) tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas. Por este motivo, no se pueden endurecer por tratamiento térmico (temple) y la única forma de mejorar su resistencia es mediante afino de grano, por ejemplo a través de deformación en frío. Contienen de un 15% a un 30% de Cr y su contenido en C aumenta al aumentar la proporción de Cr, pudiendo llegar hasta el 0,35% cuando el contenido en este metal es próximo al 30%. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 105 Son magnéticos, de escasa dureza y como se ha señalado anteriormente no toman temple. Nota: En las aleaciones Fe-Cr con bajo contenido en carbono, sólo aparece la fase austenita (o γ) por calentamiento a elevada temperatura cuando el contenido de Cr es inferior al 12 %. En cuanto se rebasa este porcentaje las aleaciones son ferríticas a todas las temperaturas hasta el punto de fusión. Diagrama de equilibrio termodinámico para el sistema Fe-Cr. Principales aplicaciones Las ventajas principales que ofrecen estos aceros son su resistencia a la corrosión por cloruros bajo tensión y a la corrosión atmosférica a un costo relativamente bajo. Su utilización depende del contenido de cromo: a) Las aleaciones con contenido en Cr <11% (tipos 405 y 409) tiene regular resistencia a la corrosión y a la oxidación y buena conformabilidad a bajo costo. b) Las aleaciones de contenido intermedio en Cr (16% ≤ % Cr ≤ 18 %) , tipos AISI 430 y AISI 434) presentan escasa tenacidad y soldabilidad, por lo que son difícilmente conformables. c) Las aleaciones ricas en Cr (20% ≤ % Cr ≤ 30 %), tipos AISI 442 y AISI 446 son los ac. inox. superferríticos. Contienen poco carbono y nitrógeno, y poseen titanio y niobio como elementos estabilizadores para prevenir la sensibilización y mejorar las propiedades de la pieza soldada. También contienen aluminio o molibdeno. Los Ac. Inox. Superferríticos presentan una resistencia excepcional a la corrosión localizada por exposición a cloruros acuosos, por lo cual se suelen utilizar en intercambiadores de calor y tuberías para soluciones acuosas con cloruros y agua de mar. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 106 Nota: Los ac. inox. austeníticos, como después se expondrá, presentan problemas de corrosión localizada, como picaduras, corrosión en hendiduras y agrietamiento por corrosión bajo tensiónes en presencia de cloruros acuosos. ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS Composición química La composición de los ac. inox. martensíticos es similar a la de los ac.inox. ferríticos, pero su contenido en carbono es mayor, oscilando entre el 0,1 % y el 1,2 %. Su contenido en Cr oscila entre el 12 y el 18%. Véase la Tabla_Acx1 Pueden ser templados y revenidos, por lo que su microestructura a temperatura ambiente está formada por martensita, de ahí su denominación. Se puede agregar niobio, silicio, tungsteno y vanadio para modificar las características del revenido. Se adicionan asimismo pequeñas cantidades de níquel para mejorar la resistencia a la corrosión en ciertos medios y la tenacidad. Estructura y propiedades La característica principal de los ac. inox. martensíticos es que pueden endurecerse mediante temple y revenido, debido a la formación de martensita. Presentan una gran templabilidad debido a su relativamente alto contenido en C, aplicándoseles el calificativo de autotemplables, ya que adquieren temple simplemente con enfriarlos al aire. Los aceros inoxidables martensíticos se transforman, desde la estructura cúbica centrada en las caras de la austenita a altas temperaturas, a la estructura martensítica (tetragonal centrada en el cuerpo) a temperaturas bajas, cuando la austenita se enfría rápidamente en aire o en un líquido. En estado recocido (con el enfriamiento muy lento de la austenita en el horno), la microestructura está formada por ferrita y carburos de Cr. El Cr disuelto en la ferrita puede llegar a ser menor del 11 % y la matriz deja de ser inoxidable, siendo más susceptible a la corrosión. Cuando se hallan en estado templado, el Cr se encuentra disuelto en la matriz por lo que la resistencia a la corrosión de los aceros martensíticos es mejor cuando están duros que cuando están blandos. Para obtener ac. inox. martensíticos con la estructura y propiedades deseadas, el material se trata térmicamente como los aceros de baja aleación (se austenitiza, se templa y se reviene). La elevada dureza de estos aceros les confiere además gran resistencia al desgaste. Se agregan molibdeno y níquel a los ac.inox. martensíticos a fin de mejorar sus propiedades de corrosión y tenacidad. El níquel también equilibra el efecto del alto contenido de cromo con el ropósito de mantener la estructura deseada sin mucha ferrita libre. Sin embargo, las adiciones de molibdeno y de níquel se restringen a fin de no producir austenita retenida (no totalmente martensítica) en la estructura templada. Esta limitación a la adición de aleantes para obtener la estructura totalmente martensítica restringe la resistencia a la corrosión a niveles moderados Los ac. inox. martensíticos son magnéticos y su resistencia a la corrosión crece con el contenido Cr pero es siempre inferior a la de los aceros inoxidables ferríticos y austeníticos; sin embargo, en contacto con la atmósfera, el agua y el vapor de agua los resultados suelen ser satisfactorios. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 107 Principales aplicaciones Los aceros inox. martensíticos se utilizan a menudo tanto por sus buenas propiedades mecánicas ( resistencia a la tensión y al desgaste ) como por su resistencia a la corrosión. Las aplicaciones típicas son en cuchillería, álabes de turbinas de vapor y herramientas. El acero básico de este grupo es el AISI 420. El acero 420 F es el 420 de maquinabilidad mejorada por adición de azufre. El 420FSE es de maquinabilidad mejorada por adición de azufre y de selenio. Las adiciones de azufre, selenio y fósforo facilitan el mecanizado, pero disminuyen la resistencia a la corrosión ACEROS INOXIDABLES DÚPLEX (AUSTENOFERRÍTICOS) Los ac. inox. dúplex presentan mejores propiedades que los ac. inox. austeníticos o ferríticos debido a la presencia de cantidades aproximadamente iguales (50-50) de las fases austenita y ferrita en la microestructura. Los ac. inox. dúplex tienen mejor resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensiones debido a la fase de ferrita, y mejor tenacidad y ductilidad que los ac. inox. ferríticos debido a la fase de austenita. Las aleaciones de dos fases también presentan sinergia en su resistencia a la fluencia: tienen un esfuerzo de fluencia de 550 a 690 MPa en la condición de recocido, aproximadamente el doble de cualesquiera de las fases por separado. Las calidades comerciales actuales contienen 22-26 % de Cr, 4 – 7 % de Ni, hasta 4,5 % de Mo, alrededor de 0,7 % de C y W, y 0,08 a 0,35 % de N. Las modificaciones continuas de la composición han conseguido mejorar la resitencia a la corrosión, la trabajabilidad y la soldabilidad. En particular, las adiciones de nitrógeno han mejorado la resistencia a la corrosión por picadura y la soldabillidad de estas aleaciones. Se recomienda su uso en ambientes acuosos que contienen cloruros, y como sustitutos de ac. inox. austeníticos que han sufrido ya sea agrietamiento por corrosión con esfuerzo o picaduras durante el servicio. ACEROS INOXIDABLES ENDURECIBLES POR PRECIPITACIÓN (PH) Este tipo de aceros son también conocidos por sus siglas en inglés como aceros inoxidables PH. Pueden ser austeníticos, semiausteníticos o martensíticos. Tienen un contenido de carbono muy bajo y, por esta razón, el endurecimiento primario se debe a endurecimiento por precipitación, incluso en el caso de la calidad martensítica. Estos aceros alcanzan una elevada resistencia y dureza mediante tratamiento térmico a baja temperatura, posterior a un enfriamiento rápido desde altas temperaturas. Contienen menos Ni del que es necesario para estabilizar la fase austenita y, además contienen elementos de aleación como aluminio, titanio, niobio y cobre que producen elevados valores de dureza por formación y precipitación de compuestos intermetálicos a lo largo de los planos de deslizamiento o de los espacios intergranulares. Los ac. inox. PH tienen, en general, buena ductibilidad y tenacidad, y resistencia a la corrosión moderada a buena. Poseen mejor combinación de resistencia mecánica y resistencia a la corrosión que los ac. inox. martensíticos. Estas propiedades obedecen a la mayor proporción de elementos aleantes y al contenido de carbono restringido a 0,04 % como máximo. Esto último resulta crítico para conseguir buena tenacidad y la buena ductilidad, aunque a expensas de la resistencia al desgaste. Las aleaciones PH presentan alto esfuerzo de fluencia, de hasta 1700 MPa. El trabajo en frío antes de envejecer puede aumentar aún más el esfuerzo de fluencia. Debido a estos niveles de resistencia mecánica, la mayor parte de las aplicaciones de los aceros PH son en industrias de alta tecnología, como la aeroespacial. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 108 En general, estos aceros están indicados en aquellos casos en los que se desee la buena resistencia a la corrosión que proporciona el Ni como elemento de aleación o cuando es mejor endurecer la aleación después de las operaciones de mecanizado mediante tratamiento a temperaturas más bien bajas (p. ej. 480 ºC) que a elevadas como las que se requieren en el caso de los aceros inoxidables martensiticos. El acero inoxidable PH más utilizado es el S17400. 2.1.3.2 CORROSIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES Se consideran los siguientes apartados: - RESISTENCIA A LA CORROSIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES: GENERALIDADES CORROSIÓN INTERGRANULAR EN ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS CORROSIÓN POR PICADURAS Y EN HENDIDURAS ACOPLAMIENTO GALVÁNICO. REsISTENCIA A LA CORROSIÓN GENERAL RESISTENCIA A LA CORROSIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES: GENERALIDADES La resistencia más elevada a la corrosión general la ofrecen los ac. inox. austeníticos. Contienen que níquel y, normalmente, cuanto más elevado es el contenido de Ni más resistentes son. Para obtener la resistencia óptima a la corrosión las aleaciones austeníticas deben ser calentadas a 1050 - 1100 ºC y enfriadas rápidamente en agua o chorro de aire. Las aleaciones austeníticas que contienen Mo (316, 316 L, 317) poseen una mejor resistencia a la corrosión en los medios que contienen cloruros, ácidos no oxidantes diluidos y a la corrosión en ranuras. El efecto beneficioso del Mo en estos aspectos no se extiende a los aceros inoxidables exentos de Ni. Los aceros inoxidables ferríticos alcanzan la resistencia óptima a la corrosión cuando se enfrían con lentitud desde por encima de 925 ºC o cuando están recocidos a 650-815 ºC. Los aceros inoxidables martensíticos poseen su mejor resistencia a la corrosión cuando se han enfriado bruscamente desde la zona austenítica. En este estado son muy duros y frágiles. Se mejora su ductilidad por recocido (de 200 a 750 ºC para el 403, 410, 416, 416 Se; de 150 a 370 ºC para el 420; de 200 a 650 ºC para el 431; 150 a 425 ºC para el 440 A, B y C) pero a costa de cierto sacrificio de la resistencia a la corrosión, que experimenta mayor pérdida cuanto mayor tiempo se calienta a una temperatura dada, o cuanto más elevada es la temperatura para un tiempo dado. El trabajo o deformación en frío de los aceros inoxidables tiene, por lo general, sólo pequeños efectos sobre la resistencia a la corrosión si se evitan temperaturas lo suficiente elevadas para permitir una difusión apreciable durante la deformación o posteriormente. Los cambios de fases que origina el trabajado en frío de las aleaciones austeníticas metaestables no están acompañados por alteraciones importantes de la resistencia a la corrosión. El acero inoxidable austenítico enfriado rápidamente (cúbico centrado en la cara) de composición 18 % Cr y 8 % Ni, tiene aproximadamente la misma resistencia a la corrosión que un acero inoxidable ferrítico enfriado bruscamente desde alta temperatura (cúbico centrado en el cuerpo), de la misma composición de Cr y Ni pero con contenidos menores de C y N. Sin embargo, si una aleación similar que contenga una mezcla de austenita y ferrita se calienta durante un momento a, por ejemplo, 600 ºC, se establecen diferencias de composición entre las dos fases originándose pilas galvánicas que aceleran la corrosión. Es decir, los gradientes de composición, cualquiera que sea su causa, son más importantes como determinantes del comportamiento a la corrosión que las variaciones estructurales de una aleación que sea homogénea. Esto parece ocurrir en los metales y aleaciones en general. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 109 CORROSIÓN INTERGRANULAR EN ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS La corrosión intergranular consiste en el ataque preferente de los límites de grano del metal, o de las zonas adyacentes a los límites de grano, con pequeña corrosión de los granos. Puede ocurrir debido a la existencia de impurezas en los límites de grano, o por el enriquecimiento o empobrecimiento de uno de los elementos de aleación en las zonas adyacentes. La fuerza impulsora de este tipo de deterioro es el gradiente de potencial que aparece entre los límites de grano, o una zona delgada adyacente a ellos, y el resto del metal. La corrosión intergranular puede aparecer en un gran número de materiales metálicos, siendo particularmente importante, y muy conocido, en los aceros inoxidables austeníticos. El fenómeno de corrosión intergranular se considera que es debido a la precipitación de carburos de cromo del tipo Cr23C6 en los límites de grano, cuando el acero se expone durante un cierto tiempo a temperaturas comprendidas entre 450º C y 800º C, a la que se denomina “ la zona de sensibilización “ para los aceros inox. austeníticos. A temperaturas elevadas, por ejemplo 1050º C, el carbono se dispersa por completo por toda la aleación, pero dentro de la gama de temperaturas sensibilizantes se difunde con rapidez hacia los bordes de los granos donde se combina preferentemente con Cr para formar carburos de cromo (p. ej., C6M23 donde M representa la presencia de cierta pequeña cantidad de Fe junto con el Cr). Esta reacción empobrece en Cr a la aleación adyacente en tal cantidad que los bordes del grano pueden quedar con menos del 12 % de Cr, que es la cifra necesaria para que se pueda establecer la pasividad. El volumen de la aleación que resulta afectada se extiende normalmente en una pequeña distancia hacia el interior de los granos a ambos lados del propio borde del grano. La aleación empobrecida en Cr establece pilas activas-pasivas de apreciable diferencia de potencial, constituyendo los granos áreas catódicas grandes en relación con las pequeñas áreas anódicas formadas por los bordes de los granos. Si la aleación se enfría rápidamente a través de la zona de sensibilización, el carbono no tiene tiempo de llegar a los bordes de grano. Por otra parte, si la aleación se mantiene dentro de la zona de temperatura de sensibilización durante un tiempo excepcionalmente largo (por lo general varios miles de horas), el Cr se difunde otra vez hacia las zonas empobrecidas, restableciendo la pasividad en los bordes de grano y eliminando la susceptibilidad al ataque preferente. Aunque el nitrógeno también se difunde en la zona de los bordes de grano para formar nitruros de cromo, produce menos daños que el carbono. Cuando en un acero inoxidable ocurre esto, se dice que el acero está “sensibilizado”. Cuando un acero inoxidable sensibilizado se expone a un medio agresivo, puede ocurrir corrosión intergranular. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 110 La figura siguiente muestra esquemáticamente la precipitación del carburo y la aparición de la zona empobrecida en cromo. El perfil de concentración de Cr en la zona próxima al carburo se representa a continuación La zona de temperaturas de sensibilización para las aleaciones austeníticas está comprendida entre 400 y 900 ºC. El grado de daño causado a las aleaciones comerciales por el calentamiento en esta zona de temperaturas depende del tiempo; unos pocos minutos a temperatura de 750 ºC es equivalente a varias horas en una zona de temperatura inferior. La sensibilización de los aceros inoxidables puede ocurrir como consecuencia de un tratamiento térmico, o, muy frecuentemente durante su soldadura, lo que se denomina “degeneración de la soldadura” o “weld decay “, en la que la combinación de temperatura y tiempo necesaria para la precipitación de carburos de cromo, puede existir a pequeña distancia del cordón de la soldadura. El grado de sensibilización para unos determinados valores de temperatura y tiempo depende mucho del contenido de carbono. Un acero inoxidable 18- 8 que contenga 0,1 % C o más, se puede sensibilizar intensamente después de un calentamiento a 600 ºC durante 5 min, mientras que una aleación similar que contenga 0,06 % C resulta menos afectada y una aleación con 0,03 % C tratada de igual manera puede no Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 111 sufrir deterioro apreciable en exposiciones a medios corrosivos moderados. Cuanto más alto sea el contenido de Ni de la aleación menor será el tiempo en el que ocurrirá la sensibilización para una temperatura dada; por el contrario la adición de Mo aumenta el tiempo. Las propiedades físicas de los aceros inoxidables no cambian mucho por la sensibilización. Puesto que en la sensibilización hay una precipitación de carburos, las aleaciones se hacen un poco más fuertes y algo menos dúctiles. El deterioro sólo tiene lugar por exposición a medios corrosivos, lo que da lugar a que la aleación se corroa a corrosión intergranular (a lo largo de los bordes de grano), a una velocidad que depende de la agresividad del medio corrosivo y del grado de sensibilización. Para evitar la corrosión intergranular en los aceros inoxidables austeníticos pueden emplearse tres métodos: 1. Tratamiento térmico de hipertemple (calentamiento a 1050-1100 ºC seguido por enfriamiento brusco). El tratamiento térmico a elevada temperatura disuelve los carburos precipitados, y el enfriamiento rápido evita que vuelvan a formarse. Este tratamiento se recomienda, por ejemplo, después de operaciones de soldadura. Sin embargo no es siempre posible realizarlo, debido al tamaño de las estructuras o piezas soldadas o por la tendencia de la aleación a alabearse a elevadas temperaturas, por lo que, en general se prefieren los procedimientos siguientes. 2. Reducción del contenido de carbono. Puesto que la corrosión intergranular de los aceros inoxidables austeníticos está asociada con el contenido de carbono, una aleación de bajo carbono (< 0,02 % C) es relativamente inmune a este tipo de corrosión.Esto puede lograrse en la producción comercial de aceros inoxidables, pero a un costo extra. Las aleaciones de bajo contenido en carbono, por ejemplo, <0,03 % C, se designan por la letra L (Low), por ejemplo, tipos 304 L, 316 L. Estas aleaciones se pueden soldar o calentarse dentro de la zona de temperatura de sensibilización con una susceptibilidad resultante a la corrosión intergranular mucho menor. Sin embargo, no son inmunes. 3. Adiciones de titanio o niobio. Añadiendo a las aleaciones austeníticas una pequeña cantidad de un elemento (por ejemplo, Ti o Nb ) que tenga mayor afinidad por el carbono que la del cromo, se evita que el carbono se difunda a los bordes de grano y si algo alcanza los bordes reacciona con el Ti o Nb en vez de con el Cr. Los aceros de esta clase se les denomina estabilizados, por ejemplo los tipos 321, 347, 348. Se pueden soldar o calentar dentro de la zona de sensibilización sin que lleguen a hacerse susceptibles a la corrosión intergranular. Las varillas empleadas en operaciones de soldadura contienen preferentemente Nb en vez de Ti. El titanio tiende a oxidarse a temperaturas elevadas con peligro de que su concentración residual llegue a ser demasiado baja para estabilizar a la aleación depositada contra la corrosión. En cambio, el niobio se pierde por oxidación en cantidad menor. En los aceros inoxidables austeníticos estabilizados puede también ocurrir una corrosión intercristalina, que se denomina corrosión en filo de cuchillo, que presenta un aspecto distinto a la anterior. Este ataque aparece como una línea delgada y recta a lo largo de la unión metal base-metal de aportación, como se muestra en la siguiente figura: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 112 En estos aceros, los carburos de titanio y niobio se forman a temperaturas comprendidas entre 900 y 1.150° C, mientras que se disuelven a temperaturas superiores. Cuando dichos aceros se sueldan, una franja muy estrecha, inmediatamente adyacente al cordón de soldadura, alcanza temperaturas superiores a 1.150°C, con lo que en esta zona los carburos de titanio y de niobio se disuelven, volviendo a estar el carbono en solución. Si la velocidad de enfriamiento es lenta, en el rango de temperaturas comprendido entre 450 y 800°C, o si la soldadura se calienta posteriormente en esta zona, por ejemplo al dar un recocido de alivio de tensiones, pueden precipitar los carburos de cromo, produciendo la sensibilización del acero en una zona muy estrecha. El remedio para evitarla es calentar el acero a temperaturas comprendidas entre 1.050 y 1.150°C, con lo que se disuelven los carburos de cromo y precipitan de nuevo los de titanio y niobio. CORROSIÓN POR PICADURAS Y EN HENDIDURAS Cualquiera de los aceros inoxidables en medios que contengan concentraciones apreciables de Cl- , en los cuales en ausencia de los iones señalados los aceros serían prácticamente pasivos, tienden a corroerse en áreas determinadas formando picaduras profundas. También pueden inducir la formación de picaduras iones tales como Br- y el tiosulfato, S2O32-. Los aceros inoxidables expuestos a agua de mar desarrollan picaduras profundas en cuestión de unos meses, que se originan por lo general en ranuras u otras zonas donde el electrólito no se mueve. Esta tendencia es mayor en los aceros ferríticos y martensíticos que en los aceros austeníticos, disminuyendo la tendencia en los últimos a medida que se aumenta su contenido en níquel. Las aleaciones austeníticas que contienen Mo (tipos 316, 316 L, 317) son las más resistentes de todas al agua de mar, aunque inevitablemente en un período de unos 2,5 años se desarrollan picaduras. Los aceros inoxidables expuestos a soluciones de cloruros a temperatura ambiente, que contengan iones despolarizantes activos, tales como Fe3+, Cu2+ o Hg2+, desarrollan picaduras dentro de un período de horas. Según una serie de ensayos, la adición de un 3 % de NaNO3 a una solución de FeCl3 al 10 % inhibe por completo contra la formación de picaduras y también reduce el ataque general durante un período de por lo menos 10 años. Probablemente los iones nitrato son adsorbidos por la superficie de la aleación con preferencia a los iones Cl-, tendiendo por lo tanto a mantener la pasividad inalterada. En los cloruros neutros, por ejemplo NaCl, la adición de álcalis inhibe contra la formación de picaduras. Por ejemplo, en una solución aireada de NaCl al 4 %, a 90 ºC, a cuya temperatura la velocidad de formación de picaduras en el acero 18-8 es la más elevada, la adición de 8 g de NaOH por litro eliminó la formación de picaduras. En salmueras refrigerantes la adición de 1 % de Na2CO3, fue efectiva durante por lo menos 5 años. La tendencia a la formación de picaduras en los aceros inoxidables austeníticos aumenta cuando se encuentran sensibilizados (corrosión intergranular). También se favorece la formación de picaduras cuando los aceros inoxidables se cubren con películas orgánicas o inorgánicas, que escudan Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 113 parcialmente la superficie impidiendo el acceso del O2. Por la misma razón, la tendencia a la formación de picaduras es menor en el agua que se mueva con cierta velocidad con respecto a la superficie del metal, pues el movimiento tiende a mantener toda la superficie en contacto con agua aireada y a pasivarla de manera uniforme. REISTENCIA A LA CORROSIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES Puesto que los aceros inoxidables son pasivos y tienen un potencial noble, se les puede acoplar con éxito a metales que sean pasivos o inherentemente nobles, entre los que se incluyen metales y aleaciones como plata, soldadura de plata, cobre, níquel, aleación 70 % Ni-Cu, y aleación 76 % Ni-16 % Cr-7 % Fe, y por lo general, aluminio, en particular en aquellos medios en los que el Al se mantiene pasivo. El uso de aceros inoxidables resulta óptimo en condiciones oxidantes o de completa aireación, que favorecen su estado pasivo. Tanto si la aleación se emplea en la manipulación de productos químicos como expuesta a la atmósfera, su superficie debe mantenerse limpia y exenta de contaminación, de lo contrario se forman pilas de concentración o de aireación diferencial que producen picaduras y corrosión localizada. - Los aceros inoxidables son resistentes a: 1. Acido nítrico, en un amplio margen de concentraciones y temperaturas. 2. H2SO4 muy diluido y a temperatura ambiente si está aireado; a concentraciones más elevadas (p. ej. 10 %) y temperatura de ebullición si se ha añadido como inhibidor Fe3+, Cu2+, o HNO3; o a temperaturas más bajas si el acero contiene como aleación pequeñas cantidades de Cu, Pt o Pd. También resisten el H2SO4 frío o en ebullición si están protegidos anódicamente. 3. Muchos ácidos orgánicos, incluyendo casi todos los ácidos que contienen los alimentos y al ácido acético (pero no al ácido acético glacial en ebullición). 4. Álcalis. Excepto bajo tensiones en soluciones cáusticas concentradas y calientes. 5. La atmósfera. Los tipos 302 y 304 se han usado con éxito como adornos arquitectónicos en fachadas de edificios. Los tipos citados y el 430 se emplean para embellecedores de automovil. - Los aceros inoxidables no resisten a: 1. HCl, HBr y HF, diluidos o concentrados. Tampoco resisten a las sales que se hidrolizan con formación de estos ácidos. ( Ng: por ejemplo hipoclorito) 2. Cloruros oxidantes, por ejemplo FeCl3, HgCl2, CuCl2 y NaClO. 3. Agua de mar, excepto durante períodos breves, o cuando están protegidos catódicamente. 4. Soluciones frigoríficas, en especial soluciones de fijadores que contienen hiposulfitos. 5. Ciertos ácidos orgánicos, que incluyen los ácidos oxálico, fórmico y láctico. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 114 2.1.3.3 RECOMENDACIONES PARA EL MANTENIMIENTO Y LIMPIEZA DEL ACERO INOXIDABLE Los principales motivos de la rápida difusión y empleo del acero inoxidable son su belleza superficial, su resistencia a la corrosión y su mínimo mantenimiento; sin embargo, hay que seguir ciertas recomendaciones en su almacenamiento, manipulación, transformación y distribución para evitar problemas ocasionados por un mal trato del material. Durante el proceso de transformación y manipulación debe evitarse que se produzcan deterioros en su superficie y es necesario implantar una serie de normas de orden y limpieza en los talleres donde se trabaja el acero inoxidable y esencialmente debe cuidarse al ser colocado en obras, el contacto con materiales y aditivos propios de la construcción. Las recomendaciones básicas, durante la manipulación y montaje del acero inoxidable en obra, son las siguientes: 1. Conservación del acero inoxidable en sus embalajes originales hasta el momento de su utilización. 2. El almacenamiento debe de hacerse en interiores y en lugares seco. 3. Es necesario evitar todo contacto con acero al carbono, colocando entre la superficie en contacto, madera, papel o trapos. 4. Evitar que el inoxidable sea expuesto al polvo del taller o a vapores químicos. 5. Evitar el contacto con los materiales de construcción como cemento, yeso, escombros, etc., prestando especial atención a los aditivos de limpieza de fachadas. 6. No pisar el material, ni darle golpes y evitar su contacto con aceros al carbono o metales blandos como cobre o bronce. 7. No almacenar el inoxidalbe cerca de máquinas que puedan salpicarle aceite, líquidos o grasas. Si no se siguen estas observaciones y el acero inoxidable se contaminase, se recomienda efectuar, lo antes posible un proceso de limpieza, consistente en: 1. Desengrasar con alcohol industrial. 2. Decapar para eliminar la contaminación producida por yesos, cementos, etc., o líquidos empleados en las obras, con decapante. 3. Lavar con jabón neutro, y aclarar con agua, secando con una gamuza el material. 2.1.3.4 SELECCIÓN DE ACEROS INOXIDABLES La selección de aceros inoxidables se basa principalmente en la resistencia a la corrosión y, en segundo término, en las propiedades mecánicas. Según la aplicación pueden también entrar en consideración otros factores, como la conformabilidad, desgaste, temperaturas de servicio, tenacidad y determinadas propiedades físicas. Las formas más serias de corrosión que es preciso evitar son las del tipo localizado, que pueden causar fallos inesperados y a veces catastróficos, aun cuando la mayor parte de la estructrua permanece sin defectos. Algunas de estas formas de corrosión son agrietamiento por corrosión bajo tensiones, la corrosión en hendiduras, las picaduras y el ataque intergranular en aceros sensibilizados, como son las zonas afectadas por el calor de las soldaduras. Para la selección del acero inoxidable el proyectista debe apoyarse si es posible en experiencia previas, y respecto a estas, se propone como referencia la Tabla_Acx4. Por regla general, el procedimiento de selección se inicia con el tipo básico AISI 304, el acero inoxidable de uso más común. El 304 tiene buena resistencia a la corrosión y resiste casi todos los Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 115 ácidos oxidantes, muchas soluciones esterilizadoras, la mayor parte de los compuestos químicos orgánicos y colorantes, y una amplia variedad de compuestos químicos inorgánicos. Para procesos industriales que requieren un nivel más alto de resistencia ante la corrosión, conviene considerar los tipos 316 y 317. Estas calidades contienen molibdeno, el cual incrementa su resistencia contra las picaduras en presencia de cloruros. El tipo 316 se especifica generalmente para usarse con sustancias químicas corrosivas. Para ambientes severamente corrosivos en los que el agrietamiento por corrosión bajo tensión con cloruros es lo que más preocupa, se debe considerar la posibilidad de utilizar los ac. inox., superausteníticos, los ac. inox. dúplex o los superferríticos. Para ambientes corrosivos menos severos, los ac. inox. ferríticos, como el tipo 430, puede ser el adecuado. El bajo contenido en aleantes de esta este tipo de acero reduce su resistencia a la corrosión, pero también abarata mucho su coste respecto a los tipos 304 y 316 y las superaleaciones. El tipo AISI 430 resiste sin problemas los alimentos, el agua dulce y la corrosión atmosférica no marina. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 116 2.1.3.5 TABLAS DE PROPIEDADES DE ACEROS INOXIDABLES - Composición química: Tabla Acx1 - Propiedades físicas de los aceros inoxidables: Tabla Acx2 - Propiedades mecánicas los aceros inoxidables: Tabla Acx3 - Propiedades tecnológicas los aceros inoxidables: Tabla Acx4 TABLA Acx 1 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua TABLA Acx 2 117 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Tabla Acx3 118 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Tabla Acx4 119 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 120 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 121 2.1.3.2 APLICACIONES DE LOS ACEROS INOXIDABLES EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO Y CONDUCCIÓN DE AGUA Lámina 1 El acero inoxidable permite la fabricación de materiales para bombas, válvulas y tuberías en toda la gama de valores de pH. En los equipos para la industria alimentaria la construcción en acero inoxidable (AISI 304 o AISI 316) acostumbra a ser la más adecuada, aunque cara. El acero inoxidable se utiliza casi siempre sin ningún tipo de revestimiento ya que por su propia naturaleza se autopasiva. Las situaciones típicas en las que se utiliza acero inoxidable son: a) Para piezas metálicas que van a estar en contacto con alimentos: por su mayor resistencia a la corrosión se evita la formación óxido, que puede alterar características como el color, además de que las zonas de óxido suelen ser puntos donde se desarrollan bacterias. Por el motivo anterior ello, es habitual fabricar en acero inoxidable las piezas internas de las bombas y válvulas que van a estar en contacto con el fluido alimentario (rodetes, elementos obturadores de válvulas, tornillos, muelles, etc.), así como muchos otros equipos para el almacenamiento y transporte de reactivos químicos (cubas de preparación de reactivos, agitadores, compuertas, etc.). b) Piezas metálicas que no conviene que lleven revestimiento - En la imagen 1 de la lámina siguiente se muestra un intercambiador de calor fabricado en acero inoxidable AISI 304. Existen dos motivos fundamentales por el que este intercambiador se fabrica en acero inoxidable, uno de ellos porque el recubrimiento limitaría transferencia de calor. El otro motivo se indica en el apartado c) siguiente. - Los ejes de las máquinas conviene que se fabriquen con un material que no necesite recubrimiento ya que sobre ellos ajustan elementos como rodamientos y elementos de fricción (empaquetaduras, etc). Si los ejes fuesen revestidos, el espesor del revestimiento debería estar bien controlado para que no interfiriese en el montaje de los elementos que ajustan que, por otra parte, es muy probable que en las operaciónes de montaje deteriorasen el algunos puntos el revestimiento originando zonas de oxido que complicarían posteriormente el desmontaje (Imagen 4 ). Debido a que los ejes y otros elementos de las máquinas estan sometidos a fricción, por ejemplo carácter abrasivos del material que transporta el tornillo sin fin que se muestra en la Imagen 5, es habitual que estos elementos que se utilicen aceros inoxidables martensiíticos (AISI 420, AISI 410 ó AISI 431) en estas circunstancias, por su elevada resistencia al desgaste. En la Imagen 6 se muestra una pieza de una máquina para centrifugación, utilizada para la deshidratación de fangos, en la que se debería haber utilizado un acero inoxidable martensítico teniendo en cuenta que ha iba a trabajar con fangos de carácter abrasivo. Como no se tuvo en cuenta esta circunstancia, la pieza muestra un deterioro evidente por desgaste. c) Materiales que deben trabajar a bajas temperaturas. En la imagen 1 se muestra un tanque de acumulación de oxígeno que para mantenerse en estado líquido necesita temperaturas como máximo de -118,8 ºC. La adición de niquel (como ocurre en los aceros inoxidables austeníticos) proporciona al acero la capacidad de resistir bajas temperaturas evitando su fragilidad (aceros criogénicos). El acero AISI 304 y AISI 316 pueden utilizarse a temperaturas hasta – 250ºC. Por este motivo, tanto el tanque que contiene el oxígeno líquido como el intercambiador donde se produce su gasificación (Imagen 1) se han fabricado en acero inoxidable AISI 304. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 122 d) Por cuestiones estéticas y porque es fácil su limpieza. e) Aquellos lugares donde se quiere evitar el óxido. Interesa utilizar tuercas y tornillos de acero inoxidable (u otro material que resista la oxidación) ya que el óxido en las roscas puede imposibilitar el desroscado, teniendo que recurrir a medidas drásticas para conseguir el desmontaje (por ejemplo, que sea necesario tener que cortar la pieza). Lámina 2 El uso de guías de acero inoxidable para las compuertas para las compuertas permite conseguir una buena estanqueidad. En las Imagenes 1, 1.1, 1.2 y 1.3 se muestra una compuerta de acero inoxidable AISI 304 L. Como se observa en la imagen 1.1 la compuerta de acero inoxidable sustituyó a una ataguía realizada en base a guías de acero al carbono con recubrimiento epoxi. Como consecuencia del deterioro o fallos en del recubrimiento, el acero al carbono de las guías quedó al descubierto sufriendo oxidación. El óxido generado, de mayor volumen que el material inicial origina “abultamientos” en la superficie de las guías. Estos abultamientos de óxido traen como consecuencia deficiencias en la planitud de la superficie de asiento y, por tanto, pérdida de estanqueidad en el cierre de la compuerta o ataguía. La realización de la compuerta y las guías en acero inoxidable mejora claramente la estanqueidad en el cierre de la compuerta a largo plazo. Imagen 2: Muestra picaduras de óxido en una brida en una brida y sus tuercas construidas en acero inoxidable AISI 304. Es porbable que estas se hayan originado por salpicaduras cuando se realizó la soldadura de la brida. Lámina 3: Procedimiento para la selección de aceros inoxidables Por regla general, el procedimiento de selección se inicia con el tipo básico AISI 304, el acero inoxidable de uso más común. El 304 tiene buena resistencia a la corrosión y resiste casi todos los ácidos oxidantes, muchas soluciones esterilizadoras, la mayor parte de los compuestos químicos orgánicos y colorantes, y una amplia variedad de compuestos químicos inorgánicos. En presencia de concentraciones significativas de cloruros, como son las zonas de las canalizaciones próximas a los puntos de dosificación de cloro gas o hipocloritos, o en las zonas de de condensación de ácido clorhídrico a consecuencia del cloro gas presente en el ambiente, conviene utilizar aceros inoxidables AISI 316 ó 317. Estas calidades contienen molibdeno, el cual incrementa la resistencia contra las picaduras en presencia de cloruros. Cuando los acero inoxidables han de soldarse o van a estar sometidos a algún tratamiento térmico, conviene usar la variedad “L” (de bajo contenido en C) es decir, el 304 L o el 316 L, ya que evita así la posible precipitación de carburos de cromo en los límites degrano (sensiblización del acero), lo cual es causa de corrosión intergranular en el acero inoxidable. Nota: Para evitar la corrosión intergranular existen otras alternativas recogidas en el apartado dedicado a las propiedades tecnológicas de los aceros inoxidables. Lámina 4 Muestra los tipos de acero inoxidable más utilizados en las instalaciones de Tratamiento de Agua. APLICACIONES DE LOS ACEROS INOXIDABLES EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO Y CONDUCCIÓN DE AGUA Lámina 1 MATERIALES METÁLICOS / ACEROS INOXIDABLES 1. Depósito criogénico para oxigeno líquido e intercambiador de calor 4. Ejes de motores y bombas 2. Generador de ozono 5. Tornillo helicoidal para transporte de fango 3. Equipos para almacenamiento y dosificación de reactivos 6. Piezas interiores de máquina para centrifugación de fango 123 124 APLICACIONES DE LOS ACEROS INOXIDABLES 1.3 2. Picaduras en una brida de acero inoxidable AISI 304 L 1.2 1.1 Lámina 2 1. Compuerta de acero inoxidable sensibiliado por soldadura 125 SELECCIÓN DE ACEROS INOXIDABLES Lámina 3 Corrosión Intergranular Ac. Inox. Sensibilizado 304 “ 18- 10” Corrosión en Ac. Inox.. Estabilizados 126 ACEROS INOXIDABLES MÁS UTILIZADOS EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUA Lámina 4 • FERRÍTICOS ( AISI 4XX ) AISI 430: 0,12 % C – 17 % Cr 2) MARTENSÍTICOS (AISI 4XX) AISI 420: ≥ 0,1 5% C – 12,0 a 14 % Cr ( DIN 1.4021 / X20Cr13 ) AISI 410: 0,15 % C – 11,5 a 13,5 % Cr AISI 431: 0,20 % C – 15,0 a 17,0 % Cr – 1,25 a 2,50 % Ni 3) AUSTENÍTICOS (contienen Ni) - Con N (AISI 2XX) - Con Ni ↑ (AISI 3XX) AISI 304: 0,08% C – 18 a 20 % de Cr – 8,0 a 10,5 % Ni (AISI 304 L : 0,03% C ) AISI 316: 0,08% C – 16 a 18 % de Cr – 10,0 a 14,0 % Ni - 2,0 a 3,0 % Mo (AISI 316 L : 0,03% C ) 4) AUSTENOFÉRRÍTICOS (Ó DUPLEX) 5) CON ENDUPRECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN (PH) Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 127 2.1.4 EL COBRE Y SUS ALEACIONES El cobre es un metal muy empleado por su buena resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas, excelente conductividad eléctrica y térmica, y fácil soldabilidad. Existe asimismo una amplia variedad de aleaciones base cobre y cada una de ellas se destaca por algunas de sus propiedades. En general se caracterizan por su resistencia a la corrosión y cualidades antifricción. Su dureza, porcentaje de alargamiento y resistencia a la tracción son muy variables. Se consideran los siguientes apartados: 2.1.4.1 COBRE 2.1.4.2 ALEACIONES CU-Zn: LATONES 2.1.4.3 ALEACIONES Cu-Sn: BRONCES 2.1.4.4 APLICACIONES DEL COBRE Y SUS ALEACIONES EN INSTALACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUA 2.1.4.1 EL COBRE - PROPIEDADES GENERALES - COBRE METALÚRGICO - ALEACIONES CON ALTO CONTENIDO DE COBRE Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 128 PROPIEDADES GENERALES El cobre es un metal muy empleado por su buena resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas, excelente conductividad eléctrica y térmica, y fácil soldabilidad con soldadura blanda fuerte. Los parámetros fundamentales del cobre se recogen en el siguiente cuadro: Cobre (Cu) Radio Atómico nm Red Cristalina A 20ºC Electronegatividad 0,128 Cubica Centrada Caras (CCC) Estados de Oxidación Densidad kg/dm3 solido 20ºC Tª de Fusión ºC Conductividad Térmica k a 20ºC W/m2 ºC Calor específico Cp kJ/kg ºC a 20ºC Difusividad Térmica α x 105 m2/s a 20 ºC Conductividad Eléctrica σ a 20 ºC en Ω-1m-1 Módulo de Elasticidad: 1,67 +1, +2 8,93 1085 386 0,383 11234 58,0x106 115 Gpa 20 -36 kp/mm2; Resistencia a la Tracción en alambres finos llega a 60 kp/mm2 50 a 35 % En alambres Alargamiento de Rotura delgados 2 %. Se obtiene de minerales como el SCu (Calcosina o pirita de cobre) el CuO (Cuprita), en forma de carbonatos como la Azurita y la Malaquita y en yacimientos en estado nativo (aunque raramente). Fue uno de los primeros metales utilizados. Es un metal no magnético. Cristaliza en el sistema CCC, por lo cual posee una gran capacidad de deformación plástica, ya que en la estructura CCC existen numerosos planos y direcciones de deslizamiento. Las propiedades tecnológicas más destacables del Cu serían: - Elevada conductividad térmica y eléctrica - Elevada resistencia a la corrosión - Buena ductilidad y tenacidad. 129 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua - Por su conductividad eléctrica, se utiliza mucho para la fabricación de conductores eléctricos, consumiéndose en esta aplicación más de la mitad de su producción mundial. - Por su conductividad calorífica se utiliza para la construcción de serpentines de refrigeración. - Por su resistencia a la corrosión, se emplea mucho en la construcción de recipientes y tuberías para la industria química. - Por su ductilidad y su color, se emplea para trabajos artísticos. El cobre se utiliza para el cobreado electrolítico de numerosos artículos. Una parte considerable de la producción de cobre se destina a las aleaciones con cinc (latones), aleaciones con estaño (bronces) y otros muchos metales. El cobre, especialmente el obtenido por afino electrolítico, consta de cristales uniformes y es muy resistente a la corrosión. Además, expuesto al aire se recubrede una capa protectora ( pátina, cobre carbónico) insoluble en agua. Bajo la acción de cietos ácidos, como el sulfúrico, y cloruros, puede verse impedida la formación de esa capa protectora y resultar intensamente atacado. COBRE METALÚRGICO El cobre metalúrgico sin alear se caracteriza por su excelente conductibilidad eléctrica y térmica, buena resistencia a la corrosión, atractivo color y fácil conformado, por lo que son muy numerosas sus aplicaciones para usos eléctricos químicos, térmicos y ornamentales. En el siguiente cuadro se muestran propiedades del cobre metalúrgico: Cobre electrolitico tenaz Cu-ETP DIN 1708 Cobre de fundición DIN 40.500 99,9% Cu 98%Cu >99,85%Cu >75 95-98 Mordazas de hornos elécticos.... Laminados y trefilados Composicion química nominal 100-101 Conductivilidad Eléctrica %I.A.C.S Aplicaciones Anillos rozantes, eléctrodos de electroerosión, aparellage eléctrico Dureza Brinell -HB Resistencia a la tracción Kg/mm² Alargamiento 50 mm - % Límite elástico Kg/mm² Peso específico Kg/dm³ 45-115 22-40 6-48 5-34 8,9 Las características del cobre varían según se presente en estado recocido o de forja, y dentro de este último, dependerán del grado de deformación a que haya sido sometido. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 130 Conformabilidad El cobre se puede colar en moldes de arena y en coquillas. Ahora bien esto lleva consigo dificultades por resultar normalmente porosas las piezas fundidas. La “colabilidad” se mejora mediante adiciones de fósforo. El cobre se lamina a temperaturas de 800º a 900º C se lamina partiendo de placas o de lingotes o se prensa previamente para formar en prensas de extrusión barras, perfiles o tubos sin soldadura. El trabajo posterior se realiza generalmente en frío. Se obtienen de este modo chapas finísimas (láminas) de hasta 0,01 mm, por laminación y alambre hasta de 0,02 mm de diámetro, por estirado. Como consecuencia de sus elevado alargamiento y maleabilidad el cobre se presta muy bien para trabajos de repujado y de estampación. Por medio de esa conformación en frío, el cobre se hace duro y frágil, aumenta la resistencia a tracción y disminuye el alargamiento. Mediante recocidos de debilitación (recocidos intermedios) puede volver a rebajarse la resistencia a la tracción y a elevarse el alargamiento. La temperatura de incandescencia se halla comprendida entre los 300° y los 700 °C. El cobre se ablanda mediante este calentamiento. El subsiguiente enfriamiento rápido en agua no influye sobre la dureza o la blandura, desprendiéndose únicamente con él la cascarilla. Para trabajos que exigen un calentamiento repetido o para piezas que han de ser soldadas se prestan los tipos de cobre exentos de oxígeno. El cobre blando, puro, es difícil de trabajar por arranque de viruta. Se eligen, para trabajarlo, grandes ángulos de ataque en los útiles de corte y lubricantes adecuados, como petróleo o taladrina. La trabajabilidad por arranque de viruta se mejora mediante pequeñas adiciones de estaño o de cinc. El cobre admite bien la soldadura blanda, la fuerte con gas protector, y también la soldadura por fusión. ALEACIONES CON ALTO CONTENIDO DE COBRE Dentro de las aleaciones con alto contenido en cobre, denominadas también cobres débilmente aleados, se encuentran: - Cu argentífero: contiene aprox. 0,1 % de Ag, que eleva la temperatura de recristalización y ablandamiento del cobre deformado en frío. - Cu de fácil mecanización: contiene pequeñas cantidades de teluro (Te). - Cu arsenical: contiene entre 0,3 a0,5 % de As. La adición de arsénico disminuye la conductividad del cobre, pero aumenta la resietencia mecánica. - Cu al cromo: contiene entre 0,5 y 1 % de Cr. La adición de Cr al cobre hace que mantenga su elevada conductividad eléctrica y térmica y que mejoren sus propiedades mecánicas. Los cobre al cromo son susceptibles de recibir un tratamiento de endurecimiento por precipitación. Este grupo de aleaciones con alto contenido de cobre, donde se incluyen los COBRECROMO, COBRE-CROMO-CIRCONIO, COBRE CIRCONIO, COBRE CADMIO, COBRECADMIO-ESTAÑO, COBRE-NIQUEL-SILICIO y el COBRE-SILICIO-MANGANESO, se caracteriza por sus buenas propiedades de resistencia a la tracción, dureza, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación, etc., con una buena conductibilidad eléctrica. Las aleaciones a base de Cr, Zr y Ni-Si se someten a tratamiento térmico para obtener sus características óptimas. En todos los casos el trabajo mecánico a que hayan sido sometidas influye en las propiedades finales. 131 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua En en cuadro siguiente se muestran propiedades de las aleaciones de alto cobre disponibles comercialmente: DESIGNACION Composición química nominal Conductibilidad eléctrica % I.A.C.S Dureza Rockwell B R/B Dureza Brinell HB Resistencia a la tracción Kg/mm² Alargamiento 50 mm % Limite elástico Kg/mm² Temperatura ablandamiento °C Peso especifico Kg/dm³ UNE C-1.170 U C I de C.D.A.I. Nª815 y 184 AFNOR U C 1 de AFNOR R.W.M.A. Case R.W.M.A Clase II II C.D.A.I. N.°150 R.W.M.A Clase I - - - 94 %Cu 97% Cu 96% Cu 1 % Cd 2 % Ni 1 3 % Si 5% Sn % Si 1% Mn 99 % Cu 1% Cr 98,8 % Cu 1 % Cr 0,2% Zr 99,8%Cu 0,2 % Zr 99 % Cu 1% Cd 75-80 70-80 80-85 75-90 49-72 90-130 49-72 90-130 50 92 45-65 85115 32-46 32-46 25-32 34-70 45-75 44-75 50-85 12-27 12-27 12 10-20 3-7 10-12 10-30 18-22 18-22 28 40-55 45-74 40-65 35-85 500 525 - 250 250 350 250 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9 8,9 8,55 60-70 17-40 7 67-76 67-91 72-89 120-140 120-190 130-180 Aplicación de las aleaciones anteriores Aleaciones 99 % Cu - 1% Cr y 98,8 % Cu- 1 % Cr - 0,2% Zr Electrodos, útiles y partes de máquinas de soldar por resistencia, anillos rozantes, contactos, aparellage eléctrico, discos, mordazas de hornos eléctricos, pinzas de soldar por resistencia, electroerosión... Aleación 99,8 %Cu - 0,2 % Zr Contactos, partes maquinaria eléctrica.... Aleación 99 % Cu - 1% Cd Electrodos de soldadura por resistencia, líneas eléctricas... Aleación 94 %Cu 1- % Cd - 5% Sn Telefonía Aleación 97% Cu - 2 % Ni - 1 % Si Piezas de contactos eléctricos, tornillos alta resistencia... Aleación 96% Cu 3 % Si 1% Mn Electrotecnia e ingeniería química. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 132 2.1.4.2 ALEACIONES CU-Zn: LATONES Las aleaciones Cu – Zn son, de entre todas las aleaciones de metales pesados, las más empleadas. Los latones son aleaciones de cobre y cinc, con un contenido mínimo de Cu del 50% y un porcentaje de Zn entre el 5% y el 50 %. Normalmente el contenido de cinc se halla entre el 5 y el 46 %, y suele añadirse hasta un 3 % de plomo para mejorar su mecanización por arranque de viruta. Pueden incorporar otros elementos como aluminio, estaño, silicio, hierro o manganeso para conseguir propiedades especiales. Los parámetros fundamentales del Cu y del Zn se muestran en el siguiente cuadro: Cobre (Cu) Cinc (Zn) 0,128 0,133 CCC HC 1,67 1,60 +1, +2 +2 8,93 7,13 1085 420 386 112,2 0,383 0,384 11234 4106 58,0x106 16,9x106 Radio Atómico nm Red Cristalina A 20ºC Electronegatividad Estados de Oxidación Densidad kg/dm3 solido 20ºC Tª de Fusión ºC Conductividad Térmica k a 20ºC W/m2 ºC Calor específico Cp kJ/kg ºC a 20ºC Difusividad Térmica α x 105 m2/s a 20 ºC Conductividad Eléctrica σ a 20 ºC en Ω-1m-1 20 -36 kp/mm2; 3 kp/mm2 (fundido) Resistencia a la Tracción en alambres finos 14 kp/mm2 (prensado) llega a 60 kp/mm2 50 a 35 % 1% a Tª ambiente En alambres Alargamiento de Rotura A 90 ...160° C 25% delgados 2 %. (Redes Cristalinas: CCC: Cúbica centrada en las caras, HC: Hexagonal compacta ). Se consideran los siguientes apartados: - CLASIFICACIÓN DE LOS LATONES - PROPIEDADES GENERALES DE LAS ALEACIONES Cu-Zn - PRINCIPALES ALEACIONES DE LATÓN Y SU APLICACIÓN Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 133 CLASIFICACIÓN DE LOS LATONES Una clasificación básica de los latones los agruparía en: 1) Latones Binarios u Ordinarios: constituidos únicamente por cobre y cinc. 2) Latones Especiales: contienen cobre y cinc, junto con otros elementos de aleación: Pb, Al, Sn, etc Los Latones Binarios, denominados también latones ordinarios, están constituidos únicamente por cobre y cinc, siendo considerados los otros elementos como impurezas. El diagrama siguiente muestra las fases de equilibrio de la aleación Cu – Zn Se aprecia la existencia de una fase α, formada por una solución sólida de Zn en Cu, que cristaliza en el sistema CCC. Para porcentajes mayores de Zn en la aleación, aparece una fase β, compuesto electrónico que cristaliza en el sistema CC. Al descender la temperatura la fase β (fase desordenada) se transforma en la fase β´ (ordenada). Por tanto, dentro de los latones binarios, podemos diferenciar entre: - Latones α: - Latones α + β - Latones β El Cuadro siguiente muestra los principales tipos de latones de interés industrial. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 134 LATONES DE INTERÉS INDUSTRIAL PROPIEDADES GENERALES DE LAS ALEACIONES Cu-Zn Los latones poseen numerosas aplicaciones gracias a su buena conformabilidad, resistencia a la corrosión, buena apariencia y su relativamente alta conductividad eléctrica y térmica. Los latones industriales con porcentajes de cinc inferiores al 40% presentan las propiedades esenciales del cobre con un precio inferior y una mayor facilidad para su trabajo, puesto que el cinc aumenta su fusibilidad y su facilidad de moldeo. Los latones poseen colores entre rojizo (cobre) a un amarillo típico al aumentar el contenido en Zn. El color del latón se ve matizado por otros elementos presentes en la aleación, por ejemplo el níquel confiere un color plateado a la aleación. Por ser su precio inferior al de los bronces, sustituyen a estos en muchas aplicaciones. Propiedades mecánicas: Las aleaciones cobre-cinc poseen mayor resistencia mecánica que el Cu. También poseen mejor resistencia al ataque por cavitación, por lo cual los latones se emplean más que el Cu para tubos de condensación Las propiedades mecánicas de los latones varían desde las del cobre casi puro hasta las de los latones especiales de alta resistencia, con valores de hasta 80 kp/mm2 de resistencias a la tracción. Cuando el latón se torna bifásico, a partir del 37% en cinc, se vuelve más resistente y con menor ductilidad debido a la presencia de fase beta menos dúctil y mas resistente, de hecho a partir de un 30% en cinc la ductilidad ya empieza a decrecer dentro de la familia de los latones alfa. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 135 Resistencia Química El latón es menos resistente que el cobre a la corrosión. A medida que aumenta el porcentaje en cinc disminuye la resistencia a la corrosión en ciertos ambientes agresivos, facilitándose la corrosión preferencial del cinc (descincado o descincificación). No obstante, los latones resisten perfectamente el agua y el vapor recalentado, sobre todo el latón α. También resisten bastante bien la acción del agua del mar y al ambiente salino, por lo cual se emplea para accesorios en la construcción de barcos. En cambio, resisten mal la acción de los ácidos sulfúrico y clorhídrico. Por su resistencia a la corrosión, se emplean los latones al estaño (no confundir con los bronces) en la fabricación de maquinaria marina ya que, por su menor precio que los bronces, sustituyen a éstos en muchas aplicaciones. En un apartado posterior se analizará más a fondo el problema de la corrosión en los latones. Conformabilidad de las aleaciones Cu - Zn Se distingue ente aleaciones Cu - Zn para fundir y aleaciones Cu - Zn para forja. - Las aleaciones Cu – Zn para fundir (latón para fundición) presentan muy buena colabilidad. La resistencia a la tracción se halla comprendida entre 20 y 80 kp/ mm2, con un alargamiento de rotura que varía entre el 35 y el 4 %. - Las aleaciones Cu – Zn para forja permiten obtener productos tales como chapas y llantas laminadas en caliente o en frío, barras cuadradas, hexagonales y planas, así como alambres y tubos estirados, perfiles por el procedimiento de extrusión y piezas de formas irregulares que se forjan mediante estampas. Por medio de la aleación adecuada y trabajos posteriores (forja en frío, recocido de ablandamiento) pueden variarse las propiedades mecánicas del latón dentro de muy amplios límites. Es posible obtener barras, chapas, alambres, tubos, etc., de la misma aleación, por ejemplo Cu 63% - Zn 37% con distintas resistencias y grados de dureza tales como blando, semiduro, duro o extraduro, disminuyendo en cambio el alargamiento de rotura. Mediante recocido aumenta el alargamiento y disminuye la resistencia a la tracción. Dependencia entre la resistencia a la tracción y alargamiento y el estado de dureza para la aleación Cu 57 % - Zn 37 % Resistencia a la Alargamiento Estado de Dureza tracción kp / mm2 de rotura en % 30 -38 44 Blando 38 -45 24 Semiduro 45 - 55 8 Duro 55 - 62 2 Dureza de estirado > 62 Dureza de resorte Las barras redondas, hexagonales y planas de la aleación Cu 57 % - Zn 40% - Pb 3% se pueden trabajar muy bien por arranque de viruta debido al contenido de aproximadamente un 3 % de Pb. Se producen virutas cortas y “salpicantes” que son fácilmente arrastradas. En la aleación Cu 61 % - Zn 38 % - Pb 1 % o la aleación Cu 63 % - Zn 36 % - Pb 1%, la adición de un 1 % de de Pb mejora el arranque de viruta aunque con ello dificulta el estirado, doblado, prensado y repujado. Todos los procedimientos de trabajo de los metales como colada, deformación en frío y en caliente, y arranque de viruta, pueden realizarse desde bien hasta muy bien con las aleaciones cobre-cinc con tal de que para el tipo de trabajo elegido se emplee el material de composición adecuada. 136 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Cuanto más elevado sea el contenido de cobre, tanto mejor se puede conformar en frío el latón. Para esto son adecuadas las aleaciones desde Cu 95% - Zn 5 % hasta Cu 60% - Zn 40 %. La dureza aparecida por doblado, repujado, compresión y embutición puede eliminarse mediante calentamiento a 600 ºC. La trabajabilidad por arranque de viruta empeora al aumentar el contenido de Cu y mejora con la adición de plomo. En el siguiente cuadro se muestran las propiedades de varias aleaciones de latón comercial: Designación Composición DIN 17660 Ms-63 Cu 63 % Zn.37% Cu57-59,5% Pb 1 a 3% Zn.Resto DIN 17660 Ms-58 Latón al Cu 78 % aluminio DIM 17661 So Ms Zn.38% Al.2.% 76 Cu 61 % Latón naval Zn.38 % DIM 17661 So Sn.1.% Ms 60 Latón alta Cu 64 Fe 2 resistencia Zn 27 Mn 2 Al DIM 17661 So 5 Ms 64 Peso especifico Resistencia a Limite la tracción elástico kg/mm² R........F R...............F Alargamiento R.................F Resistencia a la cizalladura kg/mm² R................F 8,5 36.......39-63 14. 5-17 53.....35-2 27......28-34 8,5 37..........43 16..30 35......20-15 29........32 8,35 37........... 14....... 55.............. 28............ 8,40 40............ 17....... 40............... 29........... 8,75 60......74-84 32.60-73 25........20-10 ......... ....... (R = Recocido F = Forja; H/B = Dureza Brinell R/B = Dureza Rockwell B.) Se puede deducir, por tanto, que las propiedades de los latones son variadas y dependen considerablemente del porcentaje de cinc, en consecuencia tienen una amplia gama de aplicaciones debido a la variedad de propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y procesos de fabricación. PRINCIPALES ALEACIONES DE LATÓN BINARIO Y SU APLICACIÓN Se distinguen las siguientes familias 1) Latones α 2) Latones α + β 3) Latones β 1) Latones α Los latones α poseen porcentajes cinc de hasta el 37%. Son monofásicos y poseen una tenacidad y facilidad para la deformación en frío similar al Cu. Resultan aptos para trabajo en frió y para la fabricación de pequeñas piezas fundidas. El color varía desde el del cobre (rojizo) hasta el amarillo al aumentar el contenido en Zn. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Dentro de los latones α puede establecerse la siguiente CLASIFICACIÓN: 1.1) LATONES α – ROJO - Aleación cobre-cinc 95-5 (Metal de dorar o metal Guilding) Se trata de una aleación monofásica alfa que posee una alta conformabilidad en frío y generalmente no es susceptible de corrosión preferencial de cinc. Es muy usada para pequeños cartuchos de armas y debido a su llamativo color dorado tiene usos típicos en medallas y monedas obtenidas por estampado. También es usada como base para baños de oro. Los latones ricos en cobre se emplean, en joyería, en imitaciones de oro y en adornos. - Bronce comercial, de composición 90 % Cu – 10 % Zn. - Latón rojo, de composición 85 % Cu – 15 % Zn. Las aleaciones cobre-cinc 90-10 (Bronce comercial) y 85-15 (Latón rojo) presentan características semejantes a la anterior tiene su mayor aplicación en la arquitectura y elementos decorativos. - Latón bajo, de composición 80 % Cu – 20 % Zn. Estas aleaciones aun conservan una estructura de fase alfa con elevada conformabilidad en frío. Generalmente no presentan problemas de corrosión preferencial de cinc y de corrosión bajo tensión Debido a su atrayente color tiene aplicaciones en objetos decorativos. 1.2) LATONES α – AMARILLO Al aumentar el contenido en Zn, estas aleaciones presentan mejor resistencia mecánica que el cobre, pero menor resistencia a la corrosión. Incluyen las siguientes aleaciones: - Latón de cartuchería, de composición 70 % Cu – 30 % Zn. Sus características son de una aleación monofásica alfa con una combinación de resistencia y ductilidad particularmente adecuada para estampado y otros procesos de conformación. Se emplea para aquellas aplicaciones en las que se desee buena maquinabilidad y fácil fabricación, como piezas moldeadas. Esta aleación se descincifica gradualmente en agua de mar y en aguas dulces blandas. Esta tendencia se retarda por adición de 1 % de Sn, y la aleación correspondiente recibe el nombre de metal del almirantazgo o latón naval. La adición de pequeñas cantidades de As, Sb o Pb todavía retrasa mas la velocidad de descincado, y la aleación que resulta se denomina metal del almirantazgo inhibido, encontrando su empleo en condensadores refrigerados por agua de mar o por agua dulce. - Latón amarillo, de composición 65 % Cu – 35 % Zn . Tiene una resistencia a la corrosión ligeramente inferior a la aleación anterior y es utilizada cuando se desea rebajar costos de adquisición de materia prima. - Latón de fácil maquinabilidad, de composición 63 % Cu – 35 % Zn – 2 % Pb. - Latón del almirantazgo, de composición 71 % Cu – 28 % Zn.- 1 % Sn. Presenta muy buena resistencia al agua de mar. 137 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 138 - Latón al aluminio, de composición: 76 % Cu – 22 % Zn.- 2 % Al - arsénico 0,04% Tiene una gran resistencia a la corrosión Su estructura está constituida por fase alfa con aluminio y pequeños porcentajes de arsénico que es adicionado con el propósito de evitar la corrosión preferente del cinc. La presencia del aluminio genera elevada resistencia a la corrosión y erosión en aguas no contaminadas o ligeramente contaminadas. El latón al aluminio resiste al ataque del agua de mar a gran velocidad (corrosión-erosión y cavitación) mejor que el metal del almirantazgo. El latón al aluminio también puede picarse con rapidez en agua de mar no contaminada si está en reposo. Generalmente se usa en intercambiadores de calor y condensadores en la industria química, la refinación del azúcar, desanilización del agua de mar, entre otras aplicaciones semejantes. - Latón cobre 89 % - cinc 9 % - plomo 2 % Es una aleación constituida por una estructura de matriz alfa con partículas finas de plomo dispersas Presenta una alta maquinabilidad debido a la presencia de plomo: las partículas dispersas de plomo quiebran las virutas, al mismo tiempo que hacen las veces de lubricante en las superficie de la herramienta de corte. Cabe mencionar que el cobre y los latones convencionales presentan una viruta dúctil y continua que tienen un efecto de abrasión elevada sobre las herramientas de corte disminuyendo su vida útil y haciendo que estos materiales sean considerados como poco maquinables. En general los latones aleados con plomo presentan mejores propiedades con respecto a su maquinabilidad, siendo esta su principal característica. 2) Latones α + β Los latones con contenidos de cinc entre el 37 y 45% son denominados latones alfa-beta. Estos latones están constituidos por las fases α + β´. Dado que la fase β´ es dura y frágil, estos latones son difíciles de trabajar en frío; sin embargo, tienen muy buenas propiedades para el trabajo en caliente. Dentro de los latones α + β se encuentran las siguientes aleaciones: - Latón 60% Cu – 40% Zn (Metal de Muntz): Enfriando esta aleación rápidamente desde la región β, se puede evitar la precipitación de la de la fase α, por lo que el material puede endurecerse por envejecimiento. Es una aleación de estructura bifásica y posee excelentes características de conformación en caliente debido a la presencia de la fase beta. Debe tenerse en cuenta el medio al que va ser expuesta debido a su mayor vulnerabilidad frente a la corrosión. Tiene su empleo principal en sistemas de condensación que emplean agua dulce como refrigerante. - Latón de fácil mecanización: 61,5 % Cu – 35,5 % Zn – 3 % Pb, es el latón que más fácil admite el mecanizado. - Latón para forjar: 60% Cu – 38 % Zn – 2 % Pb, se emplea para la fabricación de artículos de ferretería y fontanería. - Bronce Arquitectónico: 57 % Cu – 40 % Zn – 3 % Pb Se emplea para la fabricación de pasamanos, enrejados, bisagras, cerrojos, etc. - Latón Naval: 60% Cu – 39,25 % Zn – 0,75 % Sn Con buena resistencia a la corrosión en agua de mar. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 139 - Bronce al Manganeso: 58,5 % Cu – 39 % Zn – 1,4 Fe – 1% Sn – 0,1 % Mn Se caracterizan por su gran dureza y resistencia al desgaste aunque requieren muy buena lubricación. Poseen una aceptable resistencia a la corrosión y su tolerancia a las altas temperaturas es baja. Soportan altas presiones y se utilizan para coronas, tornillos sinfín, pernos, bujes para grandes cargas, patines y cojinetes de empuje, etc. - Latones para sopores o cojinetes:. Para soportes o cojinetes sólo resultan adecuadas las aleaciones Cu – Zn que contengan silicio o aluminio, como por ejemplo la aleación Cu 58% - Zn 40 % - Al 2%. 3) Latones β Los latones con contenidos entre 45% y 50% de Zn son latones monofásicos beta, como se aprecia en el diagrama de fases Los latones con más del 50 % de cinc, son muy frágiles, por lo que no se utilizan industrialmente. 140 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 2.1.4.3 ALEACIONES CU-Sn: BRONCES Se denomina bronce a cualquier aleación de base Cu, a excepción de las aleaciones Cu- Zn que se denominan latones. Se consideran los siguientes apartados: - CLASIFICACIÓN DE LOS BRONCES BRONCES ORDINARIOS (Bronces al Sn) ALEACIONES Cu – Ni (CUPRONÍQUEL). MONEL ALEACIONES Cu – Be (CUPROBERILIOS O BRONCES AL BERILIO). ALEACIONES Cu – Si (CUPROSILICIOS). BRONCES AL Pb BRONCES AL ALUMINIO (CUPROALUMINIOS) ALEACIONES CU-NI-Zn (ALPACA O PLATA ALEMANA) CLASIFICACIÓN DE LOS BRONCES Los bronces pueden clasificarse en dos grandes grupos: 1) Bronces ordinarios: son aleaciones Cu – Sn - Bronces - Bronces fosforosos - Bronces rojos 2) Bronces especiales: Son aleaciones de cobre y otros elementos, que reciben su denominación por el de aleación más importante que los componen: - Bronces al aluminio o Cuproaluminios. - Bronces al níquel o Cuproníquel. - Bronces al berilio o Curproberilios. - Bronces al silicio o Cuprosilicios. - Bronces al plomo - Bronces sinterizados (proceso pulvimetalúrgico) A continuación se exponen las características de los bronces con mayor interés industrial: metal Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 141 BRONCES ORDINARIOS (Bronces al Sn) Los bronces ordinarios son aleaciones constituidas por Cu y Sn. Su diagrama de fases se muestra en la siguiente figura: - Propiedades fundamentales de los bronces al Sn: a) Son más resistentes a la corrosión que las aleaciones cobre-cinc b) Elevada resistencia mecánica. En particular, las aleaciones que contienen más de 5 % Sn son resistentes al ataque por cavitación. c) Poseen buena resistencia al desgaste, principalmente con lubricación eficiente. Son recomendados para coronas, sinfines, otros engranajes, bujes y cojinetes que soportan cargas altas, placas de fricción d) Bajo coeficiente de rozamiento. Por ello, se utilizan para la fabricación de cojinetes. e) Por su excelente moldeabilidad y resistencia a la corrosión se utilizan para la fabricación de artículos de fontanería como grifos, válvulas, etc. f) Por su bello y permanente aspecto se utilizan para la fabricación de monedas, medallas, lámparas, figuras decorativas, etc. g) Su color es rojizo anaranjado. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 142 Propiedades de los bronces ordinarios segun el contenido en Sn El contenido en Sn de los bronces ordinarios oscila entre el 2 y el 25 % y, dependiendo de esta cantidad, se obtienen bronces de distintas propiedades. Las aleaciones con mayor interés industrial son las siguientes: 1. Bronces α: contenido de Sn < 6 %. 2. Bronces ordinarios: 7% < Sn < 12 % Son los bronces al Sn más habitualmente usados. Con un bronce de 5-10% de estaño se genera un producto de máxima dureza (usado en el pasado para la fabricación de espadas y cañones). 3. Bronces fosforosos: 7% < Sn < 12 %, y hasta un 0,5 % de fósforo que se añade para desoxidar la aleación. 4. Bronces de campana: 20% < Sn < 22 % . Estos bronces contienen gran cantidad de fase δ. Son muy duros y tienen una elevada sonoridad. El bronce que contiene entre 17 y 20% de estaño tiene alta calidad de sonido, ideal para la elaboración de campanas Con un contenido en Sn del 27%, se obtiene un bronce con una óptima propiedad de pulido y reflexión (utilizado en la antigüedad para la fabricación de espejos). Los dos tipos de bronce siguiente, son bronces al Sn con la adición de un tercer elemento que les confiere una propiedad especial: - Bronces Rojos (Bronces de Cañón): Contienen entre un 2 a 4 % de Zn, el cual mejora las cualidades de moldeo y confiere buena resistencia a la corrosión y al rozamiento. - Bronces Antifricción. Son bronces al estaño con alto contenido de plomo. Estas aleaciones se utilizan para bujes, especialmente para presiones medianas y velocidades medianas a altas. Se caracterizan por soportar ciertas deficiencias en la lubricación y su tolerancia al desgaste sin rayar los ejes. Bronces para moldeo y bronces para forja Las aleaciones cobre-estaño y las cobre-estaño-cinc para moldeo presentan muy buena colabilidad. Son resistentes contra el agua de mar y se prestan, debido a sus buenas propiedades de deslizamiento, para ser empleadas para casquillos de cojinetes, para husillos-madre y tuercas de husillo, así como para ruedas helicoidales. Los casquillos de soportes de deslizamiento de aleación con 14% de Sn (denominadas G-CuSnl4 ó G-SnBzl4 según normas DIN) pueden admitir muy altas compresiones, pero la velocidad circunferencial de los árboles no debe ser demasiado alta. Los casquillos de GZ-CuSn7ZnPb (GZ-Rg7) colados por el procedimiento de centrifugado poseen buenas propiedades para el funcionamiento en condiciones críticas y admiten puntas de carga de hasta 800 kp/mm2. Las aleaciones cobre- estaño-cinc para colar, con adición de níquel son templables. Para ello se calientan las piezas fundidas durante 2 horas a 760 ºC y se enfrían entonces bruscamente en agua o en aceite reviniéndolas a continuación durante 5 horas a 300 °C. Con esto se hace subir la resistencia a la tracción hasta los 60 kp/mm2. Las piezas fundidas de aleaciones cobre-estaño se dejan trabajar bien con arranque de viruta, pero las velocidades de corte deben ser menores que cuando se trabajan piezas de latón. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 143 Las aleaciones cobre-estaño para forja permiten la obtención de chapas, llantas, alambres, tubos y barras mediante conformación en caliente o en frío. La resistencia a la tracción y el alargamiento pueden amoldarse a las necesidades de cada aplicación por medio de conformación en frío y recocido de debilitación. Así, por ejemplo, chapas de Cu- Sn 6% (SnBz6) en estado de recocido blando tienen una resistencia a la tracción de 35 a 41 kp/mm2 con un alargamiento del 55 % y chapas de la misma aleación laminadas hasta dureza de resorte tienen más de 75 kp/mm2 de resistencia a tracción con un alargamiento del 5 % . Las aleaciones cobre-estaño para forja se emplean para resortes que hayan de ser resistentes a la corrosión, para resortes de contacto en la industria eléctrica, para membranas y para órganos de deslizamiento. En los cuadros siguientes se muestran las propiedades de los bronces con mayor interés industrustrial. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua CALIDAD COMPOSICIÓN Cu......84 a 86% Sn...........4 a 6% BR- 5 Zn...........4 a 6% Pb...........4 a 6% NORMAS APLICACIONES UNE 37103 C-3520 Excelente material para cargas medias y DIN 1705 Gc Cu Sn 5 Zn Pb rozamientos. Piezas en general que requieran Rg 5 resistencia a la tracción y buena estanqueidad a la presión hidrostática del vapor, válvulas de baja presión, equipos hidráulicos, cojinetes de émbolo, ASTM B-62 C-83600 etc. Cu......84 a 86% UNI 7013 Gc Cu Sn 5 Pb 5 DIN 1705-Rg 7 Sn....6,5 a 8,5% NFA 53-707-UE 7 Zn....3,5 a 5,5% BS 1400-LG 3 Pb...........3 a 5% ISO 1338-Cu Sn7 Pb6 Zn4 UNE 37103 C-3220 BR- 7 DIN 1705 Gc Cu Sn 10 Zn Cu......89 a 91% BR- 10 144 Rg 10 Sn...........9 a 11% ASTM C-92600 Debido a su composición es adecuada para trabajos en los que se produzca un pequeño golpeteo. Se recomienda principalmente para cojinetes de gran desgaste, guías de válvulas, cojinentes de émbolo, casquillos de cabeza de biela y bridas, etc. Se utiliza para trabajos de responsabilidad, recomendable para ruedas dentadas, maquinaria, engranajes, cojinetes que soportan fuertes cargas, asientos de válvula y accesorios de alta calidad. UNI 7013 Gc Cu Sn 10 Zn 2 UNE 37103 C-3130 Cu......87 a 89% BR- 12 Sn......11 a 13% Especialmente recomendado para la fabricación de coronas para reductoras, ascensores y tornillos vissin-fin, sujetos a grandes esfuerzos y velocidades; es ASTM C-90700 C-90800 Caconsejable también para adaptar en turbinas y 92500 cojinetes en general. DIN 1705 Gc Cu Sn 12 UNI 7013 Gc Cu Sn 12 DIN 1705-Cu Sn 14 Cu......85 a 87% BR- 14 NFA 53-707-UE 14 Sn......13 a 15% CA 909 Bronce fosforoso fabricado con materiales de primera calidad. Se recomienda para casquillos y cojinetes que tengan que soportar grandes cargas así como piezas de mucho desgaste, o sea ruedas dentadas. Se utiliza principalmente para coronas de tornillos vis-sin-fin, elementos hidráulicos de alta presión, maquinaria frigorífica, etc. UNE 37103 C-3320 Cu......78 a 82% DIN 1716 Gc Cu Pb 10 Sn BR- 10Pb Sn........9 a 11% ASTM C-93700 Pb...... 8 a 11% Esta aleación tiene grandes propiedades antifricción y una buena resistencia a la corrosión. Se utiliza para cojinetes en los que las condiciones de lubricación no sean perfectas, ya que el alto contenido de plomo evita el agarrotamiento. UNI Gc Cu Sn 10 Pb 10 Cu..........55 a 60% BR- 7Mn Al..........0,10 a 2% UNE 37103 C213 Fe........0,40 a 2% ASTM B30 B-A Al....0,50 a 1,50% B.S. 1400 HTB 1-1 Zn................. resto Esta aleación presenta una muy buena resistencia a la corrosión, lo que la hace muy apropiada en la industria naval para la construcción de hélices, bujes y todo tipo de piezas que requieran una resistencia al agua de mar. De alta resistencia estática y gran dureza, lo que la hace apropiada para soportar grandes presiones; utilizada para fondos de tubos, condesandores de calor y en maquinaria de soldadura. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Cu........78 a 81% Al......10 a 11,5% BR- 16Al Ni.............3 a 5% Fe..............3 a 5% Cu ..............6,4% SAE - 430 145 Piezas resistentes a la corrosión en las industrias químicas, en los productos alimenticios, del petróleo y minería. Piezas de fricción para cargas pesadas, DIN 1714 Gc Cu Al 10 Ni como ajustes y cierres de cañón. Jaulas de rodamientos a bolas, cárters, tornillos sin-fin y ruedas de tornillos sin-fin, piñones, armaduras de ASTM C-95500 sistemas de vapor sobre calentado, piezas de grifería a alta presión. Para aviación: guías de válvulas y UNI Gc Cu Al 11 Fe 4 Ni 4 tuercas de sujeción hélices. UNE 37103 C-2620 UNE 37103 C-4220 Al................5,5% DIN 1714 Gc Cu Zn 25 Al 5i Fe..................3% SAE 430-B Mn...............3,5% ASTM CA 862 Latón con resistencia a la corrosión por su dureza. ideal para cojinetes de baja velocidad y elevada carga, piezas de cilindros hidráulicos. Buenas características de rozamiento de rodadura y resistente al desgaste. Zn................24% PROPIEDADES MECÁNICAS .. BRONCE Peso específico gr/cm³ Resistencia a la Alargamiento Dureza Contracción Conductibilidad Elasticidad tracción Kg/mm² % Brinell HB lineal % eléctrica % Kg/mm² BR- 5 8,7 / 8,8 20 a 25 8 a 11 65 a 75 1,55 13 / 16 11 BR- 7 8,8 22 a 25 12 a 15 75 a 89 11 11,5 BR- 10 8,6 / 8,8 28 a 34 5 a 12 85 a 95 1,55 / 1,8 1.142 / 1.392 10 14 BR- 12 8,6 / 8,8 20 a 30 3a5 80 a 110 --- 9 12 BR- 14 8,6 / 8,83 22 a 25 4a5 90 a 115 --- 7 14 a 17 BR- 10Pb 8,8 / 9,1 19 a 26 8 a 12 65 a 80 1,05 a 1,5 8 a 10 11 a 15 BR- 7Mn 8,05 / 8,5 45 a 60 15 a 20 115 a 150 1,8 a 2,35 16 a 20 17 a 28 BR- 16Al 7,35 63 a 70 10 a 18 170 a 210 --- 5 a 6,3 27 a 23 SAE - 430 8,20 75 a 85 10 190 a 210 --- 7a8 40 a 55 146 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Resisten- cia Limite a la traelástico ccion kg/mm² kg/mm² Composición Peso especifico Cu Sn 10 G-Sn Bz 10 8,8 25-31 12 15 60-75 10-12 Cu Sn 12 G-Sn Bz 12 8,9 25-33 14 10 80-95 11-12 Cu Sn 14 G-Sn Bz 14 8,9 20-30 16 4 85-115 8-9 Cu Sn 10 Pb 5 G-SN Pb Bz 5 8,9 22-26 14 18 70-85 6-12 Cu Sn 8 Pb 15 G-Sn Pb Bz 15 9,1 20-24 11 12 60-70 7-12 Cu Sn 8 Pb 20 G-Sn Pb Bz 20 9,2 18-20 10 10 30-50 8-15 Cu Sn 10 Zn 2 Rg-10 8,4 28-35 10 10 65-80 11-12 Cu Sn 5 Pb 5 Zn 5 Rg-5 8,8 20-30 10 11 65-75 13-16 15-25 10-14 10-20 60-70 Cu 80 Sn Pb Zn Dureza AlargaBrinell miento % HB Conductibilidad electrica % I.A.C.S. Designacion DIN APLICACIONES CARACTERÍSTICAS DE LAS ALEACIONES DE BRONCE: G-Sn Bz 10: Material tenaz resistente a la corrosión y a la cavitación con gran alargamiento, resistente al agua de mar. Adecuado para válvulas y cajas de bomba de alta solicitación, rodetes y ruedas de paletas para bombas y turbinas de agua, cojinetes de fricción. G-Sn Bz 12: Material de dureza tenaz con buena resistencia al desgaste, resistente al agua de mar. Adecuada para anclajes de acoplamiento y piezas de acoplamiento de alta solicitación, tuervas de husillo movidas bajo carga para ruedas espirales y helicoidales de marcha rápida, solicitación superior. G-Sn Bz 14 : Material duro, resistente al agua de mar. Adecuado para semicojinetes de fricción con puntos de carga de hasta 600 Kp/cm2 y placas de deslizamiento y barras de deslizamiento de alta solicitación. G-SN Pb Bz 5: Bronce al plomo y estaño de fundición semiduro. Material tenaz con buenas propiedades deslizamiento y buena resistencia al desgaste. Buen resistente a la corrosión, especialmente contra ácido sulfúrico y clorhídrico diluido, así como ácidos grasos. Adecuado para cojinetes de fricción con presiones de superficie, en las que pueden presentarse ligeras compresiones de aristas, p. ej., cilindros de calandria y cojinetes de biela, cojinetes para trenes de laminación en caliente. Válvulas resistentes al ácido. G-Sn Pb Bz 15: Adecuado para cojinetes con altas presiones de superficie, cojinetes para trenes de laminación en frío, también con tubos de refrigeración. Válvulas y piezas de fundición resistente al ácido. Buenas propiedades de marcha de emergencia para falta de lubricante temporal y para lubricación con agua. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 147 G-Sn Pb Bz 20: Adecuado para cojinetes con altas presiones de superficie y bajas velocidades de marcha, así como para cojinetes de fricción de alta solicitación en unión con semicojinetes de apoyo de acero; cojinetes para máquinas de molinería, bombas de agua, trenes de laminación en frío y de láminas, cojinetes de biela en motores de combustión interna. Válvulas y piezas de fundición resistentes a la corrosión. Propiedades de marcha de emergencia particularmente buenas para falta de lubricante temporal y para lubricación de agua. Rg-10: Material duro, resistente al agua de mar. Adecuado para guarnición de ejes de buque, revestimientos de cilindros para papel y de calandrias, llantas de ruedas espirales con velocidades de deslizamiento bajas, tuercas de husillo de solicitación moderada y cojinetes de fricción. Rg-5: Material semiduro, soldable con soldadura blanda y condicionalmente fuerte, resistente al agua de mar. Adecuado para colectores de solicitación normal y anillos de asiento de válvula, así como cojinetes de fricción de solicitación moderada. Cu 80 Sn Pb Zn: Uso general para casquillos y otras aplicaciones sin gran responsabilidad. ALEACIONES Cu – Ni (CUPRONÍQUEL). MONEL Son aleaciones base Cu con menos del 50% de Ni. Normalmente tienen contenidos de níquel del 5 al 44 %. Entre las aleaciones con mayor contenido de níquel se encuentra el MONEL, de excepcionales propiedades de resistencia a la corrosión. Además de los cuproníqueles binarios, formados solamente a base de niquel y cobre algunos contienen un tercer o un cuarto elemento. Los que contienen cinc se conocen por alpacas, que serán tratadas en un apartado posterior. El diagrama de equilibrio Cu – Ni muestra la existencia de solubilidad completa entre ambos elementos, por lo que todas las aleaciones son monofásicas Las características principales de estas aleaciones son: 1. Excelente resistencia a la corrosión, la cual aumenta con el contenido de Ni. 2. No admiten tratamiento térmico. La modificación de las propiedades mecánicas se consigue mediante deformación en frío. 3. El contenido en Ni de las aleaciones habitualmente utilizadas varía entre el 10 y el 30 %. 148 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 4. Las aleaciones cuproníquel son resistentes en especial al agua de mar a gran velocidad, cuando contienen pequeñas cantidades de Fe, y, también a veces, Mn. El contenido óptimo de Fe para la aleación cuproníquel de 10% Ni es de aproximadamente 1 a 1,75 %, con 0,75 % de Mn máximo, y para la aleación análoga con 30% de Ni es, en general, menor, por ejemplo 0,40 a 0,70 % de Fe acompañado por 1,0 % de Mn máximo. 5. Entre sus aplicaciones más interesantes se encuentra la fabricación de tubos de condensadores. En el caso de aguas dulces no contaminadas se emplean para la fabricación de estos condensadores el Cu, el metal Muntz, el metal almirantazgo y una de las aleaciones Cu-Ni, concretamente la de composición 10 a 30% Ni y resto Cu y el latón al aluminio. En el caso de aguas contaminadas son preferibles las aleaciones cuproníquel al latón al aluminio, porque este último está sujeto al ataque en forma de picaduras. 6. La aleación cuproníquel con 30% de Ni posee una relativa resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión en comparación con las aleaciones 10 ó 20 % Ni-Cu, o con cualquiera de los latones Cu-30%. 7. Las aleaciones cobre-níquel con 40 a 45% de níquel se emplea como alambres de dispositivos eléctricos, arrancadores, reguladores, etc. resistencia en En el siguiente cuadro se exponen las características de varias aleaciones comerciales de cuproníquel Resistencia a Peso la tracción Designación espekg/mm² cifico R...............F 8,9 36...............60 Cu Ni 30 8,9 32..............42 Cu Ni 10 Fe 1 Mn 8,95 36............50 Cu Ni 30 Mn 1 Fe 41..........47Cu Ni 12 Zn 23 Alpaca 8,7 70 Cu Ni 18 Zn 19 Pb 2 8,75 43.........48-70 Alpaca Ni Cu 30 Monel 8,8 50 Limite elástico kg/mm² R...........F 14.........49 12..........38 15..........43 15-20.3660 17-23 3667 Alargamineto Dureza Conductibili. % Brinell eléctrica % R................F R...........F I.A.C.S. 20............10 75....180 38............12 65.....120 42..............16 85.....140 85-100 38-45...25-2 125-190 90-100 32-42.....23-2 125-200 - 30 120-140 5 9 5 7 6 4 (R = Recocido ; F = Forjado) ALEACIÓN Cu Ni 30 Cu Ni 10 Fe 1 Mn Cu Ni 30 Mn 1 Fe Cu Ni 12 Zn 23 Alpaca Cu Ni 18 Zn 19 Pb 2 Alpaca Ni Cu 30 Monel APLICACIÓN Aparatos químicos para fines decorativos Para conducir agua de mar, en condensadores de barcos centrales fijas Tubos con velocidades hasta 5 m/s de aguas muy contaminadas Telecomunicación, construcción, arte Piezas de maquinado por arranque de viruta Aparatos químicos, válvulas de mariposa, partes de construcción expuestas a corrosión Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 149 ALEACIONES Cu – Be (CUPROBERILIOS O BRONCES AL BERILIO). Se trata de aleaciones Cu – Be, que contienen normalmente entre 1,0 y 2,5 % de Be. La importancia industrial de las aleaciones Cu – Be se debe a que estas aleaciones pueden endurecer por precipitación, obteniéndose los materiales con mayor dureza y resistencia de todas las aleaciones base Cu. En estas aleaciones existen las siguientes fases: Principales propiedades: - Poseen resistencia mecánica muy elevada, similar a los aceros de alta resistencia, la cual se consigue por el tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación. Además, su resistencia se puede aumentar mediante deformación, con lo que el endurecimiento por deformación se suma al endurecimiento por precipitación. - Excelentes características elásticas. - Buena conductibilidad térmica y eléctrica - Son resistentes a la corrosión - Poseen propiedades antichispa y amagnéticas. - Se moldean y se conforman en caliente y en frío. Debido a su contenido en Berilio, son aleaciones caras Sus aplicaciones típicas son cojinetes para turbinas de turborreactores, muelles e instrumentos quirúrgicos y dentales. . A continuación se exponen varias aleaciones comerciales de cuproberilios, y sus aplicaciones. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Composicion química nominal Conductibilidad eléctrica % I.A.C.S. RocDurezakwell Dureza Brinell HB Resistencia a la tracción Kg/mm² Alargamiento 50 mm % Limite elástico Kg/mm² Temperatura ablandamiento ºC Peso especifico Kg/dm³ Aplicaciones 98,35 % Cu 0.35 % Be 1,3 % Ni 96,9 % Cu 0,6 % Be 2,5% Co-Ni 98 % Cu 1,7% Be 0,3% Co-Ni 97,5 % Cu 2 % Be 0,5% Co-Ni 50-80 40-50 25 18 R/B 76-86 140-170 R/B 89-97 180-230 R/C 33-37 320-360 R/C 33-43 360-410 62-69 65-75 101-110 109-115 5-11 3-10 2-4 1 32-39 40-55 63-69 70-84 500 500 300 300 8,65 8,62 8,26 8,09 Partes de maquinas útiles y electrodos de Brazos de soldadura por pinzas, porta resistencia, electrodos y aparellaje utillajes de eléctrico, soldadura por contactos, resistencia pistones para maquinas de inyectar aluminio.... 150 Herramientas de seguridad, antichispas y Moldes para antimagnéticas, platico, poleas piezas de corte, de trole.... soportes para contactos, clips elásticos ALEACIONES Cu – Si (CUPROSILICIOS). Las aleaciones Cu-Si contienen normalmente de 1,5 a 4 % de Si. Para esta composición, como se aprecia en el diagrama de faes, existe una solución sólida α, con gran capacidad de endurecimiento por deformación, presentando una resistencia mecánica comparable a la del acero suave y una resistencia a la corrosión comparable al cobre. Su resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensiones es pequeña cuando el Si es aproximado a 1 % y relativamente elevada con 4 % Si. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 151 BRONCES AL Pb Las aleaciones cobre-plomo para moldeo (bronce de plomo para moldeo) y aleaciones cobreplomo-estaño para moldeo (bronces estaño-plomo para colar) constituyen magníficos metales para cojinetes por estar dotadas de las mejores propiedades de deslizamiento. El plomo confiere a estos materiales buenas propiedades de deslizamiento en caso de emergencia ya que actúa como autolubricante cuando la afluencia del lubricante se interrumpe durante un cierto tiempo. Los soportes de deslizamiento de G-CuPbl5Sn pueden ser fuertemente cargados, poseen una larga vida y resisten bien la corrosión frente al ácido sulfúrico, el ácido clorhídrico diluido y los ácidos grasos. BRONCES AL ALUMINIO (CUPROALUMINIOS) Son aleaciones Cu – Al que contienen entre el 4 y 11% de Al. Frecuentemente contienen también otros elementos como Fe, Ni, Si o Mn. El diagrama de fases en equilibrio es el siguiente: En el diagrama de fases anterior se aprecia la existencia de una fase α de estructura CCC, una fase β de estructura CC desordenada y una fase γ2 de estructura cúbica con carácter no metálico (dura, frágil y poco conductora). Observando el diagramase se ve que las aleaciones que atraviesan el campo α + β y, en particular, la aleación clásica que contiene 8 % de Al se pueden someter a un tratamiento térmico similar al temple en los aceros. Al enfriar lentamente se produce la transformación de la fase β: β → α + γ2 obteniéndose una estructura similar a la perlita. Si la aleación se enfría rápidamente se obtiene una estructura acicular similar a la martensita. Estas aleaciones después de templadas se someten a un revenido a temperaturas entre 370º C y 600º C. Las aleaciones tratadas térmicamente se emplean para fabricar piñones, elementos de bombas, cojinetes y herramientas que no desprenden chispas cuando sufren choques, evitando el uso de herramientas de acero en atmósferas explosivas). Estas aleaciones se caracterizan por por su elevada resistencia a la tracción (similar a la de los aceros con contenidos medios en carbono ), su gran tenacidad y una excelente resistencia a la corrosión. Poseen elevada dureza y resistencia al desgaste, destacándose por soportar regímenes de 152 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua trabajo a altas temperaturas y en medios corrosivos, aunque en condiciones de fricción se hace indispensable una muy buena lubricación y acabado fino de as superficies. Por sus excelentes propiedades cubren una amplia gama de aplicaciones: Cuerpos de ombas, impulsores y turbinas hidráulicas, Hélices y bulonería para barcos, coronas, sinfines y engranajes, bujes y pernos para mecánica pesada, matricería para vidrio y embutido de chapa, herramientas antichispa, guías de de válvulas, pernos y bielas para motores diesel. Así, por ejemplo, se emplea Cu 92 % – Al 8% (CuAl8 ó AlBz8) para armaduras en la industria química y en minería. Mediante adiciones de níquel, hierro y manganeso puede llegar a valer la resistencia a la tracción más de 85 kp/mm2. Con la aleación Cu-Al 11% -Ni (AlBz11 Ni) se fabrican ruedas helicoidales que hayan de sufrir fuertes presiones en sus dientes y soportes de deslizamiento que puedan soportar cargas de presión de hasta de 2500 kp/cm2. La aleación para modeo Cu-Al 18% - Mn es apropiada para hélices de barcos, álabes de turbina y armaduras en la industria del aceite por su gran resistencia a la corrosión y frente al agua de mar. En los cuadros siguientes se muestran las características y aplicaciones de varias aleaciones comerciales de cuproaluminios: Resistencia Limite Dureza Conductibi.. Alargamiento a la elástico Brinell eléctrica tracción (%) (Kg/mm²) (HB) (%I.A.C.S) (Kg/mm²) Cu Al 5 R F 38 45-53 15 30-45 55 25-15 85 115-140 15-18 Cu Al 8 R F 42 50-57 17 35-43 45 20-15 90 130-150 13-15 Cu al 8 Fe 3 52-55 27-28 35-30 130-150 12-14 Cu Al 9 Mn 2 52-65 25-40 25-15 130-160 12-14 Cu Al 10 Fe 3 62-70 32-45 18-10 160-180 12-14 Cu Al 10 Fe 5 Ni 5 75-80 42-50 15-12 180-215 7-9 Cu Al 9 Ni 6 Fe 3 60-65 32-50 15 160-200 7-9 Peso específico aproximado: 7,6 kg/dm³ (R: Recocido F: Forjado) Aplicaciones, cuando se Cu al 8 Cu Al 9 Cu Al 10 quiere conseguir una Cu Al 5 Cu Al 8 Fe 3 Mn 2 Fe 3 buena: XX XX XX XX Resistencia a la corrosion XX Resistencia a la oxidación XXX XXX XXX XXX XXX en caliente XX Herramientas X X XX XX XXX Resistencia mecánica X X X XX XXX Características de fricción XX XX XXX XX XXX Soldabilidad X XXX Efecto decorativo Cu Al 10 Cu Al 9 Ni 6 Fe 5 Ni 5 Fe 3 XXX XXX XXX XXX XXX XXX XXX XXX XX XXX XXX XXX Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 153 ALEACIONES CU-NI-Zn (ALPACA O PLATA ALEMANA) Las Alpacas o Plata alemana son aleaciones ternarias Cu-Ni-Zn. El contenido en Cu varía entre el 50% y el 70 %, el contenido en Ni varía entre el 5 y el 30% y el contenido en Zn varía entre el 5 y el 40 %, y, cuando se pide un fácil arranque da viruta, se adiciona hasta un 2 % de plomo. El níquel confiere a estas aleaciones el color blanco plateado. Cuanto más alto es el contenido de níquel tanto mejor es la resistencia a la corrosión. Originalmente se utilizaron sólo con fines decorativos, pero actualmente se utilizan también para la fabricación de cremalleras, bisutería, instrumentos quirúrgicos y dentales, etc. Las aleaciones de mayor uso son: a) Cu – Ni 12% - Zn 30% - Pb: para instrumentos de dibujo, tornillos para aparatos de mecánica fina y estuches de reloj. b) Cu – Ni 25% - Zn 15 %: para cubiertos de mesa y joyería barata. 2.1.4.4 APLICACIÓN DEL COBRE Y SUS ALEACIONES EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUA Lámina 1: En la lámina siguiente se muestran las aplicaciones más típicas del cobre y el latón (en las instalaciones de tratamiento de agua. - El cobre, aparte de como conductor eléctrico, se utiliza en las tuberías de las instalaciones interiores de agua potable. Presenta, respecto al uso del acero galvanizado, dos ventajas: a) Las tuberías de pequeño diámetro fabricadas en acero galvanizado se van obstruyendo interiormente con el tiempo, especialmente en el caso de que estas tuberías se hallen en la aspiración de bombas. b) Rapidez de montaje. Las uniones en las tuberías de cobre se realizan por soldarura mientras que en las uniones en las tuberías de galvanizado se realizan mediante roscado (la ejecución de las roscas en los tubos requiere más tiempo que la soldadura). Para evitar la corrosión galvánica de otros materiales, las tuberías de cobre deben ir siempre aguas abajo de materiales que presentan menos resistencia a la corrosión (vease apartado 2.2.1. PRINCIPIOS BÁSICOS DE DISEÑO CONTRA LA CORROSIÓN). - Latón (aleaciones Cu- Zn), (denominado “metal” en algunas zonas de Andalucía ) Es habitual el uso del latón para fabricar pequeñas piezas moldeadas, por su buena resistencia a la corrosión y porque mantienen un buen aspecto externo sin necesidad de recubrimientos. El uso del latón en este tipo de piezas resulta más barato que el acero inoxidable y respecto a la fundición de hierro, las piezas de latón tienen mejor resistencia a la corrosión (vease serie galvánica respecto al agua de mar). El uso del latón en piezas con rosca (tuercas, tapones, etc) presenta la ventaja de que el coeficiente de rozamiento de latón sobre acero es considerablemente inferior al coeficiente de rozamiento aceroacero, y se evita la formación de óxido, facilitandose que se puedan desenroscar transcurrido un tiempo tras el montaje. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 154 Los latones normalmente utilizados en las instalaciones de tratamiento de agua son det tipo α – amarillo. Resulta también de interés el latón al aluminio, de composición: 76 % Cu – 22 % Zn.- 2 % Al arsénico 0,04%. . La presencia del aluminio genera elevada resistencia a la corrosión y erosión en aguas no contaminadas o ligeramente contaminadas. Lámina 2: El bronce es um metal de uso minoritario en las instalaciones de tratamiento de agua, debido a que en algunas de sus aplicaciones puede ser sustituido por el latón (más barato). En términos generales puede pensarse en el uso del bronce para piezas en las que se busca una buena resistencia a la corrosión, que mantiengan su buen aspecto sin necesidad de recubrimientos, y en aplicaciones donde se requiere un bajo coeficiente de rozamiento. Por las cualidades anteriormente señaladas se usa bronce en los asientos de cierre de las válvulas, o en las cuñas de deslizamiento para conseguir la estanqueidad del cierre de las compuertas. Si bien es habitual el uso de elastómeros para conseguir la estanqeidad en los asientos, cuando se trata de lugares en los que resulta dificultoso realizar operaciones de mantenimiento (por ejemplo las compuertas de fondo de los embales) es más interesane utilizar bronce que un elastómero, que podría deteriorarse como mayor facilidad. Se utilizan bronces al plomo para los cojinetes de deslizamiento (por ejemplo, cojinetes de los Tornillos de Arquímedes utilizados para la elevación de grandes caudales a unos pocos metros de altura). Nota: Los cojinetes de deslizamiento requieren metales con bajo coeficiente de rozamiento y buena conductividad térmica para evacuar el calor generado por la fricción. Se utilizan bronces al aluminio o cuproaluminios (aleaciones Cu – Al que contienen entre el 4 y 11% de Al) por su su gran tenacidad, excelente resistencia a la corrosión y elevada dureza y resistencia al desgaste en cuerpos de bombas, impulsores y turbinas. En la Lámina 2 se muestran los principales tipos de bronces utilizados en las instalaciones de tratamiento de agua. APLICACIONES DEL Cu Y SUS ALEACIONES EN LAS INSTALACIONES DEMETÁLICOS TRATAMIENTO/ Y CONDUCCIÓN DE AGUA Lámina MATERIALES Cobre y Aleaciones de Cu1 RACORD CONEXIÓN RÁPIDA LATÓN MACHÓN LATÓN VÁLVULA DE RETENCIÓN LATÓN VÁLVULA REGULADORA DE CAUDAL DE AIREPARA CILINDRO NEUMÁTICO LATÓN CODO LATÓN CODO COBRE VÁLVULA CONTENEDOR DE CLORO LATÓN CUERPO DE ELECTROVÁLVULA LATÓN ACCESORIOS PARA MONTAJE DE TUBERÍAS DE POLIETILENO LATÓN VÁLVULA ÓXIDADA POR AMONIACO Y CLORO 155 APLICACIÓN DE LOS BRONCES Lámina 2 2. RUEDA DE DESLIZAMIENTO DE COMPUERTA BRONCE 1. RODETE BOMBA CENTRÍFUGA BRONCE Designación DIN Composición Peso especifico Resistencia a la traccion kg/mm² Limite elástico kg/mm² Alargamiento % Dureza Brinell HB Conducti- bilidad electrica % I.A.C.S. G-Sn Bz 10 Cu Sn 10 8,8 25-31 12 15 60-75 10-12 Rg-5 Cu Sn 5 Pb 5 Zn 5 8,8 20-30 10 11 65-75 13-16 Rg-10 Cu Sn 10 Zn 2 8,4 28-35 10 10 65-80 11-12 Bronces ordinarios: 7% < Sn < 12 %, son los bronces al Sn más habitualmente usados. 156 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 157 2.1.5 ALUMINIO Y SUS ALEACIONES Se consideran los siguientes apartados: 2.1.5.1 PROPIEDADES TECNOLÓGICAS 2.1.5.2 APLICACIONES EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUA 2.1.5.1 PROPIEDADES TECNOLÓGICAS DEL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES El aluminio es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre, de la que forma parte en una proporción del 8,13%, superior a la del hierro, que se supone es de un 5%; sólo los elementos no metálicos oxígeno y silicio son más abundantes. Se encuentra normalmente en forma de silicato de aluminio puro o mezclado con otros metales como sodio, potasio, hierro, calcio y magnesio, pero nunca como metal libre. Los silicatos no son menas útiles, porque es extremamente difícil, y por tanto muy caro, extraer el aluminio de ellas. Las bauxitas, están formadas por un 62-65% de alúmina (Al2O3), hasta un 28% de óxido de hierro (Fe2O3), 12-30% de agua de hidratación (H2O) y hasta un 8% de sílice (SiO2), son la fuente comercial de aluminio y de sus compuestos. Para obtener una tonelada de aluminio son necesarias 4 Tm. de bauxita, 80 kgs. de criolita, 600 kgs. de electrodos de carbón y 22.000kw-hora. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua PROPIEDADES DEL ALUMINIO En el cuadro siguiente se muestran los parámetros fundamentales del elemento aluminio Símbolo Número atómico Peso atómico Al 13 26,98 Peso específico Lado a = 4,04-8 cm 2,699 Conductividad eléctrica a 20 ºC 34,6 m/Ohm.mm2 Cristalización en la red cúbica centrada en las caras Resistividad eléctrica a 20ºC Conductividad calorífica a 0ºC Coeficiente de dilatación lineal de 20ºC a 100ºC Punto de fusión 2,655 microhms.cm2/cm 0,53 cal/cm X S.ºC 23,6 X 10-6 X ºC 660ºC Calor latente de fusión 94,5 calorías/gr Calor específico medio 0,215 cal/g. ºC Punto de ebullición 2.450ºC Calor de combustión 380,8 K. Cal/mol Equivalente electroquímico 0,3354 gr/amp.hora Módulo de elasticidad 7.200 kg/mm2 Resistencia a la tracción fundido 9-12 kg/mm2 Resistencia a la tracción laminado (duro) 18-28 kg/mm2 Resistencia a la tracción recocido ( blando) 7-11 kg/mm2 Dureza fundido 24-32 HB Dureza laminado duro 45-60 HB Dureza recocido 15-25 HB Alargamiento fundido Alargamiento laminado duro 18-25% 3-5% Recocido 30-45% Contracción al solidificarse fundido en arena 1,600% Contracción al solidificarse en coquilla 1,825% 158 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 159 Propiedades Físicas El aluminio es un metal blanco brillante, caracterizado por una elevada reflectividad. Pulido se asemeja a la plata. Cristaliza en red cúbica centrada en las caras (CCC), por lo cual posee una gran capacidad de deformación plástica (ductilidad, maleabilidad). Es un metal ligero, con peso específico igual a 2,699, es decir, casi 1/3 del hierro (7,87). El único metal industrial más ligero que el aluminio es el magnesio, de peso específico 1,74. Su conductividad eléctrica es un 60% de la del cobre y 3,5 veces mayor que la del hierro. Su punto de fusión es 660ºC y el de ebullición 2.450ºC. Este punto de fusión relativamente bajo, unido a su punto de ebullición bastante alto facilita su fusión y moldeo. Es un metal no magnético, que no desprende chispas al chocar contra otros metales. Propiedades Mecánicas En estado puro el Al tiene una resistencia mecánica baja ( 9,1 kg/ mm2 de resistencia a la tracción). Sin embargo, mediante la adición de elementos de aleación y mediante deformación en frío puede alcanzar, después del tratamiento térmico adecuado, resistencia a tracción próximas a los 70 kg /mm2. Posee una gran ductilidad y maleabilidad, que permite forjarlo, trefilarlo en hilos delgadísimos y laminarlo en láminas o panes tan finos como los del oro. Es reseñable su maquinabilidad y su aptitud para sufrir cualquier tipo de trabajo, ya que puede fundirse fácilmente ( a 660 ºC ), laminarse en chapa del espesor que se desee, estamparse, embutirse, forjarse y extrusionarse, obteniéndose piezas de las formas más diversas. A la temperatura de 500ºC se vuelve frágil y se puede pulverizar fácilmente. Vease Tabla de propiedades físicas y mécanicas del aluminio y sus aleaciones: Tabla Propiedades Químicas del aluminio La propiedad química más destacada del aluminio es su gran afinidad con el oxígeno, por lo que se emplea entre otras cosas, para la desoxidación de los baños de acero, para la soldadura alumino-térmica (Al + Fe2O3), para la fabricación de explosivos, etc... A causa de su afinidad por el oxígeno, el aluminio expuesto a la acción del aire húmedo se recubre rápidamente de una capa superficial de óxido de aluminio, muy resistente e impermeable de algunas centésimas de micra, que protege la parte interior de la oxidación, pues impidie el contacto del metal con la atmósfera. Debido a esta película protectora, resiste también a la acción del vapor de agua, el ataque nítrico concentrado y muchos otros compuestos químicos. En cambio, es atacado por el ácido sulfúrico, el clorhídrico, el nítrico diluido y las soluciones salinas. Tiene la propiedad de reducir muchos compuestos metálicos a sus metales básicos. Por ejemplo, al calentar termita (una mezcla de óxido de hierro y aluminio en polvo), el aluminio extrae rápidamente el oxígeno del óxido; el calor de la reacción es suficiente para fundir el hierro. Este fenómeno se usa en el proceso Goldschmidt o Termita para soldar hierro. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 160 ALEACIONES DE ALUMINIO. Los principales metales empleados para su aleación con aluminio son los siguientes: Cobre (Cu), silicio (Si), cinc (Zn), magnesio (Mg), y manganeso (Mn). - Como elementos de aleación secundarios se hallan: Níquel (Ni), titanio (Ti), hierro (Fe), cromo (Cr) y cobalto (Co). - Sólo en situaciones especiales se adicionan metales como: Plomo (Pb), cadmio (Cd), antimonio (Sb) y bismuto (Bi). TRATAMIENTOS ANTICORROSIVOS, MECÁNICOS Y TÉRMICOS DEL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES. El aluminio y sus aleaciones pueden someterse a los siguientes tratamientos: - Tratamientos anticorrosivos. El más empleado es la oxidación anódica, que consiste esencialmente en aumentar el espesor de la película superficial de óxido que se produce naturalmente en el aluminio, mejorando a veces su aspecto dándole un acabado brillante o tiñéndola en diversos colores. - Tratamientos mecánicos. Los trabajos de forja, laminación, trefilado, etc., realizados en frío aumentan la resistencia mecánica y dureza del aluminio y de las aleaciones forjables, a consecuencia del aumento de acritud adquirido por el material en su deformación. Esto se aprovecha ampliamente en las aleaciones ligeras para mejorar sus características mecánicas. - Tratamientos térmicos. Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al aluminio y sus aleaciones son: El recocido de estabilización, el recocido contra acritud, el recocido de homogeneización, el temple de precipitación y la maduración artificial, aunque existen algunas de estas aleaciones que no endurecen con el temple. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua TABLA DE PROPIEDADES FÍSICAS Y MÉCANICAS DEL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES 161 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 162 2.1.5.2 APLICACIONES DEL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES El aluminio tiene multitud de aplicaciones: su bajo peso específico (un volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo volumen de acero) a su favorable relación resistencia-peso, resulta muy adecuado para la fabricación de aleaciones ligeras, extensamente empleadas en construcciones aeronáuticas y en general, cada vez más en los vehículos de transporte. Por su elevada conductividad eléctrica se emplea como conductor en líneas de alta tensión, formando cables con alma de acero ( la corriente eléctrica fluye por la capa exterior del coductor – aluminio – mientras que la parte interior es de acero, que confiere la resistencia mecánica necesaria al cable). Un alambre de aluminio de conductividad comparable a un alambre de cobre es más grueso, pero sigue siendo más ligero que el de cobre. El peso tiene mucha importancia en la transmisión de electricidad de alto voltaje a larga distancia y actualmente se usan conductores de aluminio para transmitir electricidad a 700.000 voltios o más. Su elevada conductividad calorífica e inalterabilidad lo hacen útil para la fabricación de utensilios de cocina y, en general, para aparatos de intercambio de calor, así como en pistones, culatas, y cárters de motores de combustión interna. Con el frío, el aluminio se hace más resistente, por lo que se usa a temperaturas criogénicas Su maleabilidad lo hace útil para la fabricación de papel de aluminio, en lo que se emplea actualmente un 10% de su producción total. Su resistencia a la corrosión y por ser un metal compatible con muchos alimentos, se emplea en utensilios de cocina y en forma de láminas para envolver alimentos, en la fabricación de depósitos para ácido acético, cerveza, etc,... Debido a su poco peso, a que se moldea fácilmente y a su compatibilidad con muchos alimentos. y bebidas, el aluminio se usa mucho en contenedores, envoltorios flexibles, y botellas y latas de fácil apertura. El reciclado de dichos recipientes es una medida de ahorro de energía cada vez más importante Por su poder reflectante de los rayos luminosos, se utiliza en reflectores, y en forma de polvo fino, en la fabricación de pinturas resistentes a la corrosión atmosférica. Sus propiedades reductoras lo hacen útil para la desoxidación del hierro y de otros metales, y para las soldaduras aluminio-térmicas. En la edificación se emplean las aleaciones de aluminio para la construcción de puertas y ventanas, molduras, etc,... En las construcciones navales se emplean ampliamente determinadas aleaciones de aluminio por su resistencia a la corrosión marina. Los aluminios sinterizados (pulvimetalúrgia) son de aplicación creciente. El Cuadro siguiente muestra aplicaciones específicas de algunas de las más interesantes aleaciones de aluminio. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 163 APLICACIÓN DEL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUA El aluminio presenta un uso muy minoritario en las instalaciones de tratamiento de agua. El aluminio tiende a picarse en aguas que contienen Cl-, en particular en los resquicios y en áreas de estancamiento, donde desaparece la pasividad por la acción de pilas de aireación diferencial. Las trazas de Cu2+ (en tan pequeña cantidad como 0,1 ppm) o de Fe3+ en el agua son suficientes para romper la pasividad. Se forman pilas galvánicas entre el Al y el Cu o Fe depositados (por reacción de sustitución) que estimulan la disolución del aluminio en áreas locales. Por esta razón, el aluminio no es un material satisfactorio para conducciones de aguas potables o industriales, todas las cuales contienen trazas de iones de metales pesados. Por el contrario, el Al es adecuado para el agua destilada o agua blanda exenta de iones de metales pesados. Durante muchos años se han utilizado satisfactoriamente las tuberías de aluminio de alta pureza o del tipo 1100 en redes de agua destilada. En la lámina siguiente se muesta alguna de sus aplicaciones: - En la imagen 1 se muestra una escalera para descender a la cámara de purgas de un decantador, caracterizada por la presencia de una humedad atmosférica permanente y la emanación de cloro gas utilizado en el tratamiento. Se aprovecha en este caso la propiedad de resistencia del alumino a la corrosión atmosférica debido a su rápida pasivación. Para este tipo de aplicaciones, en lugar de escaleras de aluminio, suele ser más frecuente el uso de pates de acero recubierto con un material plástico (por ejemplo, polipropileno). El alumino resulta asímismo de interés cuando se desean equipos ligeros, por ejemplo bombas portátiles para realizar achique de inundaciones. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua APLICACIONES DEL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO Y CONDUCCIÓN DE AGUA Escalera para acceso a cámara de purga de fangos (decantación) Recinto que alberga las bombas de dosificación de coagulantes Pequeñas piezas de fontanería Casetillas exteriores 164 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 165 2.1.6 COSTE ECONÓMICO RELATIVO DE LOS MATERIALES METÁLICOS A continuación se muestran valores orientativos de coste económico, relativos al acero al carbono, que servirán como criterio complementario a las propiedades tecnológicas para la elección de los materiales metálicos. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 166 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua - Precio de Materias Primas: (Información bursatil Enero 2006) Níquel Cobre Aluminio Zinc Precio $ / Tm 14.830 4.710 2.335 1.995 Cobre Latón 85/15 Latón 70/30 Latón 67/33 Latón 63/37 Bronce 94/6 Precio (euros/kg) 4,53 4,18 3,82 3,75 3,65 4,72 167 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 168 2.2 Detalles de Diseño En la fase de proyecto, se pueden aplicar medidas de gran efectividad para reducir la corrosión, que casi siempre van a resultar más baratas que los costes de mantenimiento, interrupciones en el servicio o futuras reformas que necesitarán las instalaciones en caso de no ser adoptadas. Se consideran los siguientes apartados 2.2.1 PRINCIPIOS BÁSICOS CONTRA LA CORROSIÓN 2.2.2 DETALLES DE DISEÑO Y MONTAJE 2.2.1. PRINCIPIOS BÁSICOS DE DISEÑO CONTRA LA CORROSIÓN Las consideraciones más importantes a tener en cuenta en la fase de diseño de las instalaciones son las siguientes: 1. Se tenderá a reducir al mínimo el contacto de las superficies metálicas con el agua o los medios acuosos, y la existencia de superficies sometidas a salpicaduras o encharcamiento de agua. 2. Evitar en lo posible la existencia de zonas anódicas y catódicas. El consejo más obvio es evitar el uso de metales diferentes en una instalación. Esta medida resulta poco práctica frecuentemente. 3. Medidas a tener en cuenta en caso que resulte necesario unir dos metales diferentes: 3.1 Elegir dos metales que tengan el mínimo voltaje de circuito abierto entre ellos. Dos metales diferentes pueden considerarse compatibles si la diferencia de potencial en solución es de 0,25 V o menos, como se indica en la tabla siguiente. Las parejas compatibles se indican mediante flechas dirigidas hacia abajo, y son las que tienen una diferencia de potencial o índice anódico ≤ 0,25 V. El punto hueco es el material anódico, y los puntos llenos son los materiales anódicos de una flecha. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Metales y Aleaciones Compatibles 169 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 170 Observaciones sobre la Tabla anterior: - - El índice anódico es el valor absoluto de la diferencia de potencial entre el grupo de metales más nobles de la lista y el metal o aleación en cuestión. Por ejemplo, la fem del oro (grupo 1 de la Tabla anterior) es de 0,15V. y la fem de las aleaciones de aluminio forjadas de la serie 2000 (grupo 12 de la tabla anterior) es de – 0,60 V. Por tanto, el índice anódico de las aleaciones de aluminio forjadas de la serie 2000 es de 0,15 – (-0,60) = 0,75 V. “Compatibles” significa que la diferencia de potencial de los metales en cuestión conectados en cortocircuito, no es superior a 0, 25V. Un círculo hueco indica el miembro más catódico de una serie; un circulo lleno indica miembro anódico (con tendencia a la oxidación). Las flechas indican la dirección anódica. La columna fem, V toma como referencia el electrodo de calomelanos saturado, y corresponde a la serie galvánica en agua de mar de la figura siguiente Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 171 SERIE GALVÁNICA EN AGUA DE MAR Los cuadros oscuros indican el estado activo del estado pasivo (a la derecha) de las aleaciones. Las fem (voltios) son respecto al electrodo de calomelanos saturado Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 172 3.2 Conseguir que el área de la superficie anódica sea mucho mayor que el área de la superficie catódica. De este modo, la densidad de corriente del ánodo será mucho menor que la del cátodo, con lo cual se reducirá al mínimo la velocidad de corrosión. 3.3 Limitar la intensidad de corrosión a) Tratar de mantener el ánodo y el material catódico tan separados como sea posible (“efecto distancia”). Cuanto mayor es la distancia mayor es la resistencia del circuito electroquímico y menor será la intensidad de corrosión. b) Interposición un medio aislante entre los electrodos. Si es necesario unir dos metales diferentes, se puede eliminar el contacto mediante arandelas aislantes colocadas entre las superficies. y utilizando tuercas y pernos o casquillos aislantes, como se ilustra en la figura siguiente. También es una opción el uso de un conector intermedio entre los dos metales diferentes, al cual se puede realizar mantenimiento y sustituir si es necesario. El conector debe tener un potencial de electrodo intermedio entre los potenciales de los dos metales que une. 3.4 Para realizar soldaduras se debe especificar que el material de aporte sea de la misma composición, o un poco más noble, que el metal base. 3.5 Se debe procurar que la composición del material metálico sea lo más uniforme posible, lo cual es de interés especialmente en el caso de las piezas obtenidas por fundición. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 173 2.2.2 DETALLES DE DISEÑO Y MONTAJE En las siguientes figuras se muestran detalles de diseño y montaje que consiguen reducir la corrosión. Estos diseños incorporan los principios que ya hemos mencionado en relación a: 1. Eliminar el electrolito (manteniendo las superficies secas) 2. Evitar la corrosión en hendiduras, 3. Evitar el contacto de materiales diferentes 4. Evitar la existencia de zonas de concentración de esfuerzos. Ejemplos de diseño y de montaje relacionados con la corrosión en hendiduras. (a) y (d) Se debe permitir que los líquidos escurran totalmente fuera de los recipientes de almacenamiento; (b), (e) y (h) Se deben proyectar los elementos estructurales de tal manera que se evite la retención de líquidos; (c), (g), (i) y (j) Se reduce la posibilidad de corrosión en hendiduras; (f) El espacio muerto puede inducir puntos calientes. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 174 CORROSION GALVANICA Cuando dos metales con diferente potencial redox se unen entre sí, estando ambos en contacto con un electrolito conductor, se origina una pila galvánica. En este caso, el metal que más fácilmente cede sus electrones (potencial de reducción más negativo) se convertirá en zona anódica corroyéndose. Las reacciones de reducción tendrán lugar sobre la superficie del metal más noble. Los efectos corrosivos originados en una pila galvánica dependerán de: a) Los potenciales de reducción que muestran ambos metales, lo cual determinará la diferencia de potencial de la pila (vease la Tabla de metales y aleaciones compatibles en el apartado 2.2.1). b) La superficie expuesta de ambos metales, que determinará la relación área anódica/área catódica. c) La resistividad y capacidad de polarización del electrolito (medio corrosivo), que limitará en mayor o menor medida la intensidad de corrosión. d) De las reacciones que tengan lugar en el ánodo y en el cátodo. Cualitativamente, la corrosión experimentada en el metal anódico será tanto más intensa: a) Cuanto mayor sea la diferencia de potencial electroquímico entre los metales en contacto. b) Cuanto mayor sea la conductividad del electrolito. c) Cuanto menor sea la relación “área anódica / área catódica”, ya que el ataque corrosivo se concentrará necesariamente sobre una superficie pequeña, tendiendo a avanzar más en profundidad. d) Cuanto menos compactas sean las capas de productos de reacción que se vayan formando sobre las áreas anódica y catódica. Ejemplos de corrosión galvánica: 1) Cuando de un conducto principal de acero se sacan conductos derivados en cobre o acero galvanizado; en el primer caso se atacara el acero y en el segundo se disolverá el Zn (del galvanizado). 2) Caso de la conexión de una tubería oxidada con una tubería nueva. El metal oxidado (pasivado) tiene menos tendencia a ceder electrones actuando como zona catódica, mientras que el metal nuevo tenderá a oxidarse. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 175 Detalles de diseño para evitar la corrosión galvánica. (a) Los remaches deben ser más nobles que los componentes (efecto de área); conviene evitar las muescas de guía y utilizar aislamiento. (b) - El relleno de soldadura debe ser más noble; - El área expuesta al ambiente corrosivo debe ser lo más pequeña posible - Úsese unión de transición. (c) Evítese la exposición de los extremos cortados - suéldese sobre el extremo. (d) Aplíquese revestimiento sobre el material catódico, no sobre el anódico; (e) Efecto de distancia. (f) La corrosión de los clavos en la madera se reduce mediante un revestimiento de aluminio. (g) Una trampa para fluidos puede inducir el contacto entre metales distintos: úsese sellador, masilla o un revestimiento. (h) Las gotas de condensación provenientes de una estructura más noble inducen el ataque en la estructura activa subyacente. Pueden usarse bandejas desviadoras o recolectoras. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Detalles de diseño para reducir los efectos del flujo de electrolito (a) (b) (c) (d) (e) (f) Evítese perturbar el flujo. Evítese la incidencia directa del flujo. Evítese el derrame directo hacia la estructura subyacente. Evítense las salpicaduras sobre las paredes del recipiente. Las placas o anillos de refuerzo de soldadura pueden crear turbulencia y grietas locales. Evítese la retención de fluidos. 176 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 177 Detalles de diseño relacionados con la corrosión por concentración de esfuerzos (a) Utilícese un radio generoso en las esquinas. (b) - Evítense las esquinas agudas en las soldaduras - Realícense continuas las soldaduras. (c) Evítense los perfiles agudos y utilícense otros tipos de afianzamient. (d) Evítense los voladizos largos que inducen vibración y fatiga en el empalme. (e) Puede ocurrir que la tubería de suministro lateral no soporte el choque térmico del aire a presión (1), el vapor (2) y el agua fría (3) en ese orden. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 178 2.3 Recubrimientos Protectores contra la Corrosión Este apartado tiene una gran importancia en la protección contra la corrosión. Se trata de aislar el metal del medio corrosivo mediante recubrimientos protectores. Se consideran los siguientes apartados: 2.3.1 RECUBRIMIENTOS ORGÁNICOS. PINTURAS 2.3.2 RECUBRIMIENTOS METÁLICOS 2.3.3 RECUBRIMIENTOS INORGANICOS (NO METÁLICOS) 2.3.1 RECUBRIMIENTOS ORGÁNICOS. PINTURAS La aplicación de recubrimientos de pintura es el método más ampliamente utilizado en la protección contra la corrosión metálica. La gran variedad de tipos de pintura, con diferentes características y resistencia, su sencilla aplicación a pie de obra, diversidad de colores, coste relativamente bajo y posibilidad de combinación con recubrimientos metálicos (metalizados, galvanizados, etc.) son las principales ventajas de este tipo de protección. En el diseño de un recubrimiento anticorrosivo orgánico más que hablar de sistema de pintura, se debe hablar de un sistema de pintado, donde intervendrían no solamente el tipo y espesor de las diferentes pinturas utilizadas (sistema de pintura), sino también la preparación de la superficie metálica, modo y condiciones de aplicación del recubrimiento, etc., factores todos ellos de importancia decisiva para la vida del revestimiento protector. El diseño completo de un sistema de pintado de aborda en los siguientes apartados: 2.3.1.1 RECUBRIMIENTOS ORGÁNICOS. FUNDAMENTOS 2.3.1.2 CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES DE LAS PINTURAS 2.3.1.3 ESPECIFICACIONES PARA LOS TRABAJOS DE PINTURA 2.3.1.1 RECUBRIMIENTOS ORGÁNICOS. FUNDAMENTOS 1) CONCEPTOS Y TÉRMINOLOGÍA BÁSICA 2) ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LOS RECUBRIMIENTOS ORGÁNICOS 2.1) MECANISMOS DE PROTECCIÓN ANTICORROSIVA - Efecto barrera. Permeabilidad de los recubrimientos - Resistencia iónica - Efecto inhibidor - Efecto de protección catódica 2.2) ADHERENCIA Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 179 1) CONCEPTOS Y TÉRMINOLOGÍA BÁSICA Aunque de formulación cada día más compleja, la pintura, en su concepción más general, es una mezcla líquida que al ser aplicada sobre una superficie tiene la propiedad de formar una capa continua (producto filmógeno) y de transformarse en película sólida. Se puede considerar que la pintura consta de tres componenentes fundamentales: 1. Aglutinante o resina. 2. Disolvente (sustancia volatil). 3. Pigmentos o mezcla de pigmentos. Los componentes 1. y 2. se hallan en fase líquida y el componente 3. en fase sólida. La fluidez de la pintura permite su penetración incluso en resquicios intrincados. Se consigue disolviendo el formador de película (aglutinante) en el disolvente apropiado, o consiguiendo suspensiones coloidales del pigmento y del aglutinante en un disolvente. La pintura contiene además otros constituyentes que se añaden con fines específicos como: diluyentes, plastificantes, materiales de relleno, colorantes, etc. El aglutinante, ligante o resina, es el componente formador de la película, frecuentemente de naturaleza orgánica (polímero), y determina en gran medida la propiedades físicas y químicas de la pintura. Aunque la terminología en el campo de las pinturas es confusa, vamos a tratar de diferenciar los términos de uso más frecuente: - Barniz: es una solución coloidal de un aglutinante en un disolvente, pudiendo contener también diluyentes, plsatificantes, etc. Son películas siempre transparentes y brillantes ya que no contienen pigmentos, diferencia fundamental con relación a una pintura que sí los contiene. Las Lacas y los Esmaltes pueden cosiderarse perfectamente pinturas, sin embargo, por sus singularidades características han adquirido una terminología especial: - Laca: se caracterizan por formar la película sólida a través del mecanismo de evaporación del disolvente. Esmalte: es pintura que presenta la peculiaridad de formar películas excepcionalmente lisas en tiempos de curado notablemente inferiores a las pinturas ordinarias. 2) ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LOS RECUBRIMIENTOS ORGÁNICOS 2.1) MECANISMOS DE PROTECCIÓN ANTICORROSIVA El fenómeno de la corrosión del acero es un proceso electroquímico que tiene lugar cuando el acero entra en contacto con el agua, el oxígeno, sales soblubes, contaminantes ácidos, ya sea por exposición a la atmósfera, o bien por estar inmerso en agua salada o dulce, por estar enterrado en el suelo, etc. Para impedir que la corrosión progrese hay tres posibles caminos: 1. Frenar o impedir el acceso del agua, oxígeno e iones solubles a través del revestimiento. “Efecto Barrera”. 2. Frenar o impedir el progreso de la reacción anódica por pigmentos inhibidores. 3. Frenar o impedir la reacción catódica mediante pigmentos inhibidores o pigmentos de sacrificio. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 180 Los recubrimientos de pintura tratan de impedir, o al menos frenar, el proceso corrosivo del sustrato metálico por alguno de los siguientes efectos: 1) Efecto Barrera. Permeabilidad de los recubrimientos. 2) Resistencia Iónica 3) Efecto Inhibidor 4) Efecto de Protección Catódica 2.1.1) EFECTO BARRERA. PERMEABILIDAD DE LOS RECUBRIMIENTOS Consiste en frenar o impedir el acceso del agua, oxígeno e iones solubles a través del revestimiento, inhibiendo la reacción catódica. La experimentación científica del fenómeno ha demostrado que los recubrimientos orgánicos son siempre permeables, en mayor o en menor medida, al oxígeno y al agua, por lo cual la protección anticorrosiva mediante el mecansismo barrera está seriamente limitada. Sin embargo, si se eligen adecuadamente la resina, los pigmentos y el espesor de recubrimiento, se consigue reducir notablemente la velocidad de transmisión de los agentes corrosivos. Las resinas o ligantes puros, sin pigmentos, contienen disolventes para facilitar su manejo y aplicación, los cuales se evaporan durante la fase de formación de la película seca y al hacerlo van creando o manteniendo pequeñísimos canales o huecos dede el fondo hacia la superficie. Pero aún sin la acción de la evaporación de los disolventes, las capas de ligantes o resinas tienen “espacios libres ” en su interior, que corresponden al espacio inocupado entre las moléculas de un sólido amorfo. Estos huecos poseen un tamaño que les constituye en tamices moleculares o macromoleculares a lo sumo, a cuyo través obviamente no podrán pasar los pigmentos ni los líquidos, pero sí los gases y vapores. En definitiva la formación de la película seca de resina o ligante da lugar a una membrana con mayor o menor permeabilidad al paso de los gases y vapores. - Permeabilidad a los gases No hay polímero por bien que reticule, que dé un “espacio libre” tan pequeño como para impedir el paso de los gases. Por eso el oxígeno, el vapor de agua, y los vapores ácidos, acaban por llegar siempre a la interfase entre el metal y un recubrimiento orgánico. La presencia de pigmenos puede ser útil según las circunstancias. Por ejemplo, en el caso de las pinturas de secado al aire por oxidación del ligante, caso de los sistemas alquídicos, el pigmento ayuda a mantener abierta la película y así se consigue un secado más en profundidad y por lo tanto, se consigue una mejor reticulación; en el caso de las imprimaciones sintéticas o alquídicas, una pigmentación elevada y con pigmentos de partícula grande o de forma laminar puede ser perfectamente positiva para reducir la permeabilidad. En cambio, en el caso de recubrimientos que forman película polimerizada por reacción entre componentes, la presencia abundante de pigmento, según la forma de sus partículas, sí puede entorpecer la reticulación y favorecer la retención de disolventes, sin mejorar su impermeabilidad; por ello suelen formularse con concentraciones de pigmentos bastante más bajas. - Permeabilidad al agua Todos los revestimientos orgánicos son permeables al vapor de agua, en una medida que depende del grado de reticulación del sistema, y éste varía mucho de unos ligantes a otros. Por ello, con el solo concurso de los revestimientos orgánicos, si bien es posible impedir el acceso del agua líquida a la interfase substrato/revestimiento, no es posible impedir el acceso del vapor de agua, que luego se condensará en forma de agua líquida aunque sea en pequeñísimas cantidades, todo lo más conseguiremos restringir la velocidad y la cantidad del mismo. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 181 - Impermeabilidad de las Pinturas Como indicación general puede establecerse la siguiente clasificación de impermeabilidad de las resinas o ligantes más empleados en las pinturas: Más impereables: Breas- Epoxy Epoxy Brea- vinílica Vinílicas Clorocaucho Bituminosas Acrílicas Alquídicas Menos impermeables: Aceites. Todas ellas combinan una seri de características propias que las hacen útiles en la lucha contra la corrosión del acero. Unas tendrán un coeficiente de permeabilidad al vapor de agua y alos contaminantes mucho más bajo que otras, pero a su vez éstas pueden tener mejor humectación de la superficie y mayor tolerancia a los restos de herrumbre. 2.1.2) RESISTENCIA IÓNICA Consiste en la reducción de la conducción iónica entre los ánodos y los cátodos, provocada por la resitencia que la película de pintura ofrece al movimiento de los iones del electrolito. Aparte de inhibir las reacciones anódica y catódica, la tercera vía para frenar la corrosión era mitigar el transporte iónico en el seno del revestimiento. Si los iones no pueden circular por la interfase entre el revestimiento y el substrato, o pueden hacerlo con dificultad, el circuito eléctrico quedará interrumpido o debilitado, de forma que el flujo de electrones en el seno del metal se verá ralentizado hasta dar lugar a una corriente tan débil que el avance de la corrosión será marginal. En la actualidad se acepta que la resistencia iónica es el mecanismo principal de protección anticorrosiva de los recubrimientos de pintura. 2.1.3) EFECTO INHIBIDOR Este mecanismo de protección anticorrosiva lo presentan aquellas películas de pintura que contienen pigmentos, por lo general de naturaleza inorgánica. Los inhibidores pueden actuar sobr el proceso de corrosión de dos modos: - Promoviendo el mantenimiento de una película de protección superficial de óxido sobre el metal. - Formación de compuestos insolubles por su reacción con el vehículo En definitiva, mediante cualquiera de las dos acciones anteriores lo que se consigue es polarizar los ánodos y/o los cátodos de las pilas de corrosión que se forman, una vez el electrolito ha difundido a través del recubrimiento, reduciéndose por tanto la intensidad del proceso corrosivo. 2.1.4) EFECTO DE PROTECCIÓN CATÓDICA Ciertas pinturas están formuladas a base de pigmentos metálicos ( usualmente cinc ) que actúan de ánodo en beneficio del soporte metálico que actúa de cátodo. Es conocido, en el caso del hierro, la disolución metálica (corrosión) se produce en los ánodos mientras que los cátodos permanecen inalterados, presentándose en ellos otras reacciones químicas distintas de las de disolución metálica. Es este el mecanismo básico de la protección catódica, en que toda la superficie metálica se protege por hacerla actuar de cátodo. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 182 2.2. ADHERENCIA La adherencia de un revestimiento orgánico a la superficie metálica que se desea proteger es fundamental, puesto que si es débil se anulan por completo las propiedades del recubrimiento. La adeherencia es consecuencia de dos tipos de fuerzas de enlace: a) Enlaces primarios (iónico, covalente, metálico): proporcionan las fuerzas de enlace de mayor intensidad. Aunque en la formulación de la pintura se busca con ahinco este tipo de unión, no suele ser por lo general el predominante. b) Enlaces secundarios (fuerzas intermoleculares). Es generalmente el tipo de unión que predomina. Fundamentalmente, la adherencia del polímero sobre el metal se obtiene mediante fuerzas intermoleculares de Van del Waals, por algunos enlaces químicos primarios, y sobre todo por puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo presentes en la finísima capa de óxido hidratado que en realidad constituye la superficie del metal, y los grupos funcionales del polímero. Aunque los puentes de hidrógeno son de poca energía, esto se compensa por la enorme cantidad de ellos que pueden existir, sobre todo cuando se aumenta la rugosidad de la superficie, siempre y cuando el polímero pueda penetrar en todas las rugosidades de la superficie y el contacto sea total. La adherencia perfecta se encuentra amenazada porque el agua que consiga llegar a la interfase formará a su vez puentes de hidrógeno con los hidroxilos y grupos funcionales, tanto del ligante como del substrato, forzándolos a separarse. Si el polímero es, por su constitución, saponificable, las primeras reacciones de corrosión darán lugar a la formación de iones OH- que provocarán la saponificación y la rápida pérdida de adherencia ( delaminación catódica). En cualquiera de los tipos de enlace anteriormente considcerados, la fuerza de unión está estrechamente relacionada con las distancias intermoleculares, de ahí la importancia de una buena limpieza de la superficie metálica para potenciar al máximo las propiedades adherentes del sistema. En ocasiones, la presencia de residuos en la interfase metal/pintura de espesor superior a la distancia intermolecular óptima para una buena adherencia, anula por completo esta propiedad. La experiencia ha demostrado asimismo la gran importancia que tienen la rugosidad de la superficie metálica y humectación de las superficies por los vehículos de las pinturas, como factores decisivo de la efectividad de estas. 2.3.1.2 CLASIFICACIÒN Y PROPIEDAES DE LAS PINTURAS El proceso de pintado consiste habitualmente la aplicación de varias capas de pintura, cada una de las cuales tiene una naturaleza y misión específica: Imprimaciones, capas intermedias o de fondo y capas de acabado. En los apartados siguientes se expone la clasificación, propiedades y aplicaciones de los recubrimientos orgánicos más utilizados, según la función que han de cumplir en el sistema de pintado. 1) IMPRIMACIONES 2) PINTURAS DE SECADO FÍSICO 3) PINTURAS DE SECADO QUÍMICO Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 183 1) IMPRIMACIONES Ni tan siquiera en el caso de que los revestimientos oránicos se hallasen intactos y perfectamente adheridos aislarían al acero por tiempo indefinido, siendo necesario recurrir a las imprimaciones anticorrosivas para complementar el efecto barrera creado por la pintura de las capas más externas, y evitar así la presencia de agua y oxígeno junto al acero que, por una causa u otra, siempre llegará a ocurrir. La función de las imprimaciones dentro de un sistema de pintura consiste en: - Prevenir la corrosión bajo la película de pintura, compensando su permeabilidad. Proteger al substrato en los puntos donde se hayan producido discontinuidades (roturas) en la película de pintura. Prevenir la extensión de la corrosión a partir de las zonas dañadas. Hay dos tipos de imprimaciones anticorrosivas que se utilizan en la práctica industrial 1.1) Las basadas en pigmentos inhíbidores de las reacciones de corrosión. 1.2) Las basadas en pigmentos metálicos que aportan protección catódica al acero, como son las imprimaciones ricas en Zn. 1.1) IMPRIMACIONES ANTICORROSIVAS CON PIGMENTOS INHIBIDORES Las imprimaciones más utilizadas en España, dentro de este grupo, son las basadas en resinas alquídicas, pues dan unas buenas prestaciones en muchísimos casos en que las condiciones de exposición no son extremadamente duras, no se precisa una gran durabilidad del sistema o el mantenimiento es fácil y menos costoso de realizar. Dado que los acabados de esta familia de resinas son menos impermeables que los de otras, no se concibe un sistema alquídico completo sin la presencia de una o dos capas de una imprimación alquídica conteniendo una cantidad adecuada de pigmentos inhibidores. En el caso de otros tipos de resinas, como las de clorocaucho, epoxi, vinílicas, etc., de elevada impermeabilidad, el contenido de pigmentos inhibidores es una medida de seguridad adicional. Una característica común a los pigmentos inhibidores es que no son recomendables para sistemas que deban proteger superficies sumergidas, pues precisamente por su parcial solubilidad en agua pueden dar lugar al ampollamiento del recubrimiento, provocado por ósmosis. ANEXO: PIGMENTOS INHIBIDORES 2) IMPRIMACIONES RICAS EN ZINC Composición Son productos a base de zinc en polvo aglutinado y fijado sobre la superficie del acero por la cantidad mínima necesaria de una resina orgánica o de un aglutinante inorgánico que pueda desempeñar esta función. La característica fundamental que debe cumplir una pintura o recubrimiento de este tipo es poseer una elevada conductividad eléctrica, y desarrollar un potencial de electrodo lo más elevado posible, diferenciándose mínimamente del que corresponde al zinc puro según la serie electroquímica. La superficie de acero debe estar completamente limpia, libre de todo tipo de contaminantes y con una rugosidad suficiente para asegurar el anclaje de la pintura de zinc. Este punto es de suma importancia, ya que cualquier tipo de contaminación superficial del acero, además de perjudicar la Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 184 adherencia de la pintura, constituiría un aislante eléctrico que no permitiría un buen contacto entre el zinc y el acero, condición imprescindible para que la pila de corrosión funcione adecuadamente. Mecanismo de funcionamiento de las pinturas ricas en zinc Debido a la baja proporción de aglutinante y a pesar del empaquetamiento compacto del polvo de zinc, las pinturas ricas en zinc recién aplicadas presentan una microporosidad estructural muy elevada. En estas condiciones, los agentes corrosivos (agua, oxígeno, sales y contaminantes), penetran fácilmente a través de la película, llegando hasta el sustrato de acero, con lo que la pila de corrosión se pone en marcha inmediatamente, provocando la corrosión del zinc, que actúa como ánodo, mientras que el acero asume el papel de cátodo, quedando protegido contra la corrosión. La corrosión del zinc origina una abundante cantidad de subproductos, especialmente carbonatos, óxidos y oxicloruros, según la composición del medio ambiente, la mayoría de los cuales son insolubles en agua. Estos compuestos van rellenando la porosidad de la pintura de zinc, hasta conseguir sellarla completamente, constituyendo una película impenetrable a los agentes corrosivos. A partir de este momento, la pila de corrosión se detiene y la pintura rica en zinc protege el acero por impermeabilización. Los subproductos de corrosión del zinc han sellado los poros e impermeabilizado la película. que ahora protege por efecto “barrera ”. Gracias a ello, este tipo de pinturas presenta una gran durabilidad, ya que, de continuar funcionando la pila de corrosión, la película de zinc se agotaría en poco tiempo. El mecanismo de protección catódica nos asegura que si la película sufre pequeños fallos (raspadas etc.) y el zinc queda en contacto con la atmósfera, se pondrá en marcha rápidamente el mecanismo de protección catódica y a continuación se volverá a formar la capa de sales protectoras impidiendo la corrosión. Algunas reacciones químicas entre el zinc y el medio ambiente a) En ambiente neutro o casi neutro: 2Zn + O2 →2 ZnO ZnO + CO2 + H2O → ZnCO3 + H2O Zn + CO2 + H2O → ZnCO3 + H2 Zn + 2H2O → Zn(OH)2 + H2 b) Reacciones secundarias: Zn (OH)2 → ZnO + H2O 5 Zn (OH)2 + 2CO2 → 2ZnCO33Zn (OH) + 2H2O 5 ZnO + 2CO2 + 3H2O → 2ZnCO33Zn (OH)2 Ámibito de utilización de las pinturas ricas en zinc (IRZ) En relación al Zn hay que tener en cuenta su elevada reactividad del zinc y que es un metal anfótero, lo que quiere decir que además de reaccionar rápidamente con los ácidos, como la mayoría de los metales, dando sales de zinc, también lo hace con los álcalis, dando zincatos. Por ello, cuando una pintura rica en zinc se emplea en la protección de estructuras de acero en ambientes industriales con presencia de humos ácidos o vapores alcalinos (por ejemplo, de amoníaco), debe recubrirse adecuadamente con pinturas de acabado que resistan dichos productos, como por ejemplo pinturas a base de resinas acrílicas, epoxy o de poliuretano. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 185 Las IRZ orgánicas (epoxy, vinílica, etc.) se emplean como capa de imprimación cuando se desea una elevada resistencia anticorrosiva en exposición atmosférica. También se utilizan para la reparación de acero galvanizado viejo con el objeto de reponer zinc desgastado. Las IRZ inorgánicas, se pueden emplear además de en exposición atmosférica, para el pintado de interiores de tanques conteniendo por ejemplo disolventes, ya que debido a su carácter inorgánico son totalmente insolubles en disolventes orgánicos. La resistencia anticorrosiva de una IRZ inorgánica es normalmente superior a una IRZ orgánica, incluso a igualdad de contenido en zinc. Por su elevada resistencia a la abrasión las inorgánicas se emplean también para el pintado de cubiertas de buques. Las pinturas ricas en zinc son el mejor sistema de protección anticorrosiva del acero a la intemperie mediante pinturas, con durabilidades que superan los 15 años, pero no vale la pena gastarse dinero en ellas si no se pueden cumplir los siguientes requisitos, en cuanto a preparación de la superficie a pintar: - Eliminación de suciedad, grasas, aceites, contaminantes atmosféricos, etc., mediante una limpieza con detergentes seguida de un buen aclarado con aguadulce. - Biselado mecánico de cantos vivos, cordones, proyecciones y pegotes de soldadura, exfoliaciones del acero, etc. - Chorreado abrasivo con arena silícea, granalla metálica o escoria de cobre, hasta el grado Sa2 ½ o Sa 3 de la norma ISO 8501.1, según el producto. Los epoxy y los silicatos de etilo son menos exigentes y es suficiente un Sa 2 ½ mientras que los silicatos alcalinos requieren el Sa 3. Al chorrear, debe utilizarse un tamaño de abrasivo y una presión de proyección del mismo suficiente para conseguir una rugosidad que se suele situar en el grado BN l0a del RUGOTEST N-03. En estructuras sumergidas en agua, no es aconsejable el uso de los recubrimientos ricos en zinc, por dos razones: Si el recubrimiento se aplica sin capas de pintura de acabado, el agua irá lixiviando o arrastrando los subproductos de corrosión del zinc a medida que se formen, impidiendo el sellado o relleno de la porosidad original de la película, con lo que el proceso electroquímico de la pila zinc-acero no se detendrá y el recubrimiento de zinc se agotará en poco tiempo. Por otra parte, si la imprimación rica en zinc se recubre con un producto adecuado para inmersión, como por ejemplo un brea-epoxy o un epoxy puro, siendo el zinc un metal muy ávido de reaccionar con el agua, provocará la aparición de un proceso osmótico con la formación generalizada de ampollas en las capas de pintura de acabado. Por todo lo expuesto, el ámbito de utilización de las pinturas ricas en zinc se circunscribe a la protección de estructuras de acero a la intemperie, aconsejándose siempre recubrirlas con pinturas de acabado adecuadas, como por ejemplo las ya mencionadas acrílicas, epoxy o poliuretanos. Nota: Debido a la tendencia del zinc a formar compuestos alcalinos en presencia de aire y humedad, los acabados aplicables sobre estas imprimaciones han de ser insaponificables, por lo que quedan descartadas las pinturas al aceite y los esmaltes alquídicos. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 186 2) PINTURAS DE SECADO FÍSICO Se consideran los siguientes apartados: - CONCEPTO - PROPIEDADES GENERALES DE LAS PINTURAS DE SECAJE FÍSICO - RECUBRIMIENTOS VINÍLICOS - RECUBRIMIENTOS ACRÍLICOS - RECUBRIMIENTOS ACRÍLICOS -SILICONA - RECUBRIMIENTOS DE CLOROCAUCHO - RECUBRIMIENTOS BITUMINOSOS: Breas y Asfaltos 2.1) CONCEPTO Las pinturas de secado físico están basadas en polímeros termoplásticos (acrílicos, vinílicos, etc.), formando la película protectora por simple evaporación de los líquidos en que se hallan (en disolución o en suspensión) no ocurriendo reacciones químicas. El polímero - ligante - ya está completamente formado en el bote. La formación de película de pintura de secaje físico se produce por el desarrollo simultáneo de los dos procesos siguientes: - Evaporación del líquido disolvente o dispersante - Entrelazado de las macromoléculas de polímero.Atracción entre ellas y con el substrato mediante fuerzas de atracción intermolecular, sin que se creen enlaces químicos primarios entre ellas (al evaporarse el líquido, las macromoléculas de polímero se aproximan entre sí y al sustrato, lo que permite que aumenten las fuerzas intermoleculares, consiguíendose la adherencia al sustrato y la cohesión de la película). Por tanto, La película sólida es el resultado de la coalescencia de partículas dispersas cuando el material dispersante abandona la película líquida. El agente dispersante es usualmente agua, aunque también puede serlo un disolvente débil. Los recubrimientos más comunes en este apartado son los denominados “látex”, siendo los de mayor utilización: - Emulsiones acrílicas - Emulsiones vinil - acrílicas 2.2) PROPIEDADES GENERALES DE LAS PINTURAS DE SECADO FÍSICO Las propiedades comunes a todas las pinturas de secaje físico son: 1. Reversibilidad. La película de pintura seca, aún transcurridos meses o años después de su aplicación es soluble en sus propios disolventes o en otros más fuertes, debido que las macromoléculas de resina que hay en la película seca son las mismas que había en el bote de pintura líquida, sin haber sufrido ninguna modificación en su estructura o composición química. Las moléculas de los disolventes penetran en las películas de pintura seca y redisuelven las macromoléculas de resina. Como consecuencia de ello, la adherencia entre capas es seimpre perfecta, aunque hayan transcurrido semanas o meses entre la aplicación de las capas sucesivas, ya que el disolvente contenido en la nueva capa de pintura que se aplica redisuelve superficialmente la capa anterior, Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 187 asegurando la unión entre moléculas de resina de ambas capas y por tanto la adherencia entre ellas. No hay límite de tiempo máximo en el intervalo de repintado de las pinturas de secaje físico. Una excepción la constituyen las pinturas en emulsión, en las que el agua no actúa realmente como disolvente, ya que no disuelve propiamente las macromoléculas de resina, sino como medio emulgente. Por ello, las pintuas al agua, una vez aplicadas y secas, no son solubles en agua, aunque si en los disolventes naturales de las resinas. Sin embargo, su adherencia entre capas sigue siendo buena , probablemente por el efecto de los coalescentes, y tampoco tienen límite de tiempo de repintado. 2. Sensibilidad a los disolventes. Todas las pinturas de secaje físico son, como consecuencia de lo anterior, poco resistentes a sus disolventes o a los más fuertes. Las películas procedentes de pintruas en emulsión o dispersión acuosa, nos son solubles en agua, ya que el agua no actuó como disolvente sino como medio emulgente. 3. Dependencia de la Temperatura No dependen de la temperatura en cuanto a la formación de la película, ya que no hay reacciones químicas involucradas en el proceso. Sin embargo, las temperaturas bajas retardan la evaporación de disolventes y el secaje se hace más largo. Una excepción la constituyen las emulsiones, por contener agua, que requieren un mínimo de temperatura para que la coalescencia de ls gotitas de polímero se realice a fondo. 4. Temoplasticidad. Las pinturas de secaje físico se reblandecen a temperaturas elevadas. Como todas las moléculas, las del polímero o resina adquieren un estado de mayor energía al ser calentadas, lo que se traduce en movmimientos vibratorios en el interior de la película. Al no estar las macromoléculas ligadas unas a otras químicamente, adquieren una cierta libertad de movimientos que produce un reblandecimiento de la película. Las resinas de secaje físico más interesantes desde el punto de vista de la protección del acero estructural son: - VINÍLICAS - ACRÍLICAS. - CAUCHO CLORADO - BREAS Y ASFALTOS 2.3) RECUBRIMIENTOS VINÍLICOS Las resinas vinílicas se obtienen principalmente por polimerización del cloruro y acetato de vinilo. Tanto el acetato como el cloruro de polivinilo proporcionan resinas duras poco filmógenas que se flexibilizan mediante la adición de plastificantes adecuados o copolimerizándolos con monómeros flexibles tales como el dibutil-maleato, etil-acrilato, etileno. etc. El acetato de polivinilo proporciona buena retención de color y resistencia a la intemperie, mientras que el cloruro aporta buena resistencia al agua y elevada tenacidad, pero una mala estabilidad a la luz. Otros monómeros utilizados en la fabricación de pinturas vinilicas son el polivinil-butiral, muy tenaz y flexible, y el cloruro de vinilideno. Todos estos polímeros vinílicos se utilizan en forma de copolímeros, sea copolimerizados entre sí (acetato-cloruro de polivinilo, cloruro de vinilo-cloruro de vinilideno), o con otros tipos de Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 188 resinas, dando lugar a copolímeros vinil-acrílicos, vinil-versáticos, cloruro de vinilideno-acrilonitrilo, etc. Ciertos tipos de resinas vinilicas pueden polimerizarse en forma emulsionada en el seno de agua, permitiendo la fabricación de pinturas vinílicas en dispersión acuosa. Si predomina en ellas el acetato de vinilo su resistencia a la alcalinidad disminuye. Existen ciertos tipos de polímeros vinílicos solubles en disolventes más suaves pero su resistencia química es más baja y no son resistentes a los disolventes, Una de estas resinas, el Polivinil Butiral, no contiene cloro y puede utilizarse para formular imprimaciones de taller de bajo espesor (shop primers) aplicables sobre acero que haya que cortar y soldar posteriormente. Las principales propiedades de los recubrimientos vinílicos son las siguientes: 1. Mecanismo de curado: Evaporación de Disolventes Orgánicos 2. Preparación mínima de la superficie: Chorreado Comercial. 3. Características principales: - Rápido secado - Buena adherencia al substrato y buena adherencia entre capas. - Fácil repintado. Sin intervalo máximo de repintado. - Gran flexibilidad. - Excelente resistencia química (ácidos, álcalis, sales ). - Excelente resistencia al agua. - Muy buena impermeabilidad. - Combinables con breas, muy impermeables. - Utilizables en inmersión (especialmente breas-vinílicas). - Muy buena resistencia a la intemperie. - Aplicables en espesores moderadamente elevados por capa, en formulaciones adecuadas. - Resistentes a aceites y grasas minerales, vegetales y animales, así como a disolventes suaves. - Excelente durabilidad. - Excelente conservación de color y brillo 4. Principales Limitaciones: - Precisan muy buena preparación de superficies. - Precisa plastificantes. Muchas de las propiedades de la pintura dependen del tipo de plastificante empleado - Difícil aplicación a brocha o rodillo. - Moderado poder humectante. - Bajo espesor de película por capa. Formulaciones de bajo contenido en resina sólida, que proporcionan capas finas. - Poco tolerantes a la contaminación entre capas y bajas temperaturas de superficie. - Débil resistencia al calor. - Sólo son solubles en disolventes fuertes, del tipo cetónico. - No resiste ciertos ácidos orgánicos (acético y fórmico) y álcalis (hidróxido amónico). - Temperatura limite de 70 ºC en exposición continua. Nota: Las propiedades generales de las resinas vinílicas pueden consultarse en el apartado de Materiales Poliméricos. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 189 2.4) RECUBRIMIENTOS ACRÍLICOS Las resinas acrílicas se obtienen por polimerización de monómeros acrílicos. Se pesentan en forma de polvo blanco soluble en hidrocarburos aromáticos. Los monómeros acrílicos son variados y de su selección dependerán las propiedades de la pintura final. Así, pueden obtenerse desde productos duros derivados del metacrilato de metilo hasta otros más blandos utilizando, por ejemplo, el etil-hexilacritlato. De todas formas, para la fabricación de pinturas es necesario añadir plastificantes a la formulación. Las propiedades finales del producto dependerán asimismo del tipo de plastificante empleado. La polimerizacón de los monómeros acrílicos puede realizarse también en el seno de gotitas o micelas emulsionadas en agua. A partir de estas emulsiones o dispersiones se fabrican pinturas acrílicas en dispersión acuosa. Las propiedades de estos tipos de pinturas son muy parecidas a las de base disolvente, dependiendo fundamentalmente de la relación pigmento/resina. A igualdad de prporción pigmento/resina, las propiedades son similares. Las pinturas acrílicas de secaje físico, en base disolvente, pueden aplicarse sobre pinturas de clorocaucho con muy buena adherencia, por lo que es muy común combinar imprimaciones y capas intermedias de clorocaucho con acabados acrílicos, a fin de beneficiarse de la buena retención de color y brillo de estos últimos. 1. Mecanismo de curado: Evaporación de Agua o Disolvente 2. Preparación mínima de la superficie: Cepillado. 3. Características principales: - Buena resistencia al agua. - Utilizables en inmersión. - Buena resistencia química. - Buena adherencia al substrato. - Buena adherencia entre capas. - Buena resistencia a la intemperie. - Excelente durabilidad, retención de color y brillo. - Sin intervalo máximo de repintado. - Rápido secado. - Fácil aplicación. - Posibilidad de aplicar elevados espesores por capa, en formulaciones adecuadas. - Resistente a aceites y grasas minerales, y a hidrocarburos alifáticos. - Buena adherencia sobre pinturas de clorocaucho.Gran flexibilidad. 4. Principales Limitaciones: - Precisa buena preparación de superficies. - Precisa plastificantes. Muchas propiedades de la pintura dependen del tipo de plastificante empleado. - Baja resistencia a aceites y grasas animales y vegetales. - Baja resistencia a los hidrocarburos aromáticos y otros disolventes. - Temperatura límite de 70 ºC en exposición continua. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 190 2.5) RECUBRIMIENTOS ACRÍLICOS - SILICONA 1. Mecanismo de curado: Evaporación y Polimerización. 2. Preparación mínima de la superficie: Chorreado Comercial. 3. Características principales: - Excelente retención de brillo y color a temperaturas elevadas. - Excelente resistencia al calor. - Excelente durabilidad. 4. Principales Limitaciones: - Débil resistencia a los disoloventes. - Moderada resistencia química. - Alto coste. 2.6) RECUBRIMIENTOS DE CLOROCAUCHO 1. Mecanismo de curado: Evaporación de Disolventes Orgánicos. 2. Preparación mínima de la superficie: Chorreado Comercial. 3. Características principales: Rápido secado - Fácil repintado. - Gran flexibilidad - Excelente resistencia química (ácidos, álcalis, sales ). - Excelente resistencia al agua. - Excelente durabilidad. - Buena retención del brillo 4. Principales Limitaciones: ( Idem vinílicos, añadiendo al final dos limitaciones adicionales). - Difícil aplicación a brocha o rodillo. - Bajo espesor de película por capa. - Poco tolerantes a la contaminación entre capas y bajas temperaturas de superficie. - Moderado poder humectante. - Débil resistencia al calor. - Débil resistencia a los disolventes. - No resiste ciertos ácidos orgánicos (acético y fórmico) y álcalis (hidróxido amónico). - Débil resistencia a grasas y aceites vegetales y animales. - Enyesa con el envejecimiento. 5. Aspectos Químicos: - El caucho clorado se obtiene por cloración de isopreno polimerizado. La mayoría del isopreno procede actualmente de la industria del petróleo, pero en sus inicios se obtenía del caucho natural, de ahí el nombre de clorocaucho. - Se presenta en forma de polvo blanco fácilmente soluble en hidrocarburos aromáticos como xileno, tolueno y naftas aromáticas. - Después de la evaporación de los disolventes, el clorocaucho forma una película muy compacta, resitente al agua y a productos químicos, pero es muy quebradiza. Para flexibilizarla hay que añadir cierta cantidad de plastificantes. - Las mezclas de clorocaucho con plastificantes químicamente resistentes se utilizan muy ampliamente en pinturas anticorrosivas, recubrimientos de resistencia química, pintura para hormigón, etc. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 191 2.7) RECUBRIMIENTOS BITUMINOSOS: Breas y Asfaltos 1. Mecanismo de curado: Evaporación de Disolventes Orgánicos ( Lacas ). 2. Preparación mínima de la superficie: Cepillado. 3. Características principales: - Presentan una gran impermeabilidad y son hidrófobos, repelen el agua. - Excelente resistencia al agua. - Utilizables en inmersión. - Resistencia química razonablemente buena. - Buena adeherencia al substrato. - Poco exigentes en la preparación de superficies. - Fáciles de aplicar - Buena adherencia entre capas - Sin intervalo máximo de repintado. - Buen poder cubriente - Relativamente baratos. 4. Principales Limitaciones: - Deterioro por radiación U.V. - Poca resistencia a la intemperie. Algunos componentes se van evaporando lentamente y la superficie se oxida y cuartea. - Baja resistencia a los disolventes. - Sangrado en las capas posteriores. Las moléculas más pequeñas migran a la película de pintura aplicada encima, tiñéndola con una coloración oscura. - Termoplásticas. Se reblandecen con el calor. - No repintables con pinturas de mayor dureza. - Color negro o muy oscuro - Película blanda, baja resistencia mecánica. 5. Aspectos Químicos: - Las breas y asfaltos suelen usarse sin pigmentar. Su elevado contenido en carbón hace que sean negras o muy oscuras y opacas. - Las breas de hulla se obtienen por destilación de la hulla y pueden ser líquidas o sólidas. - Los asfaltos normalmente se obienen del petróleo - son los productos más pesados de la destilación del petróleo- aunque pueden encotrarse, todavía hoy, como productos naturales. - Sean de origen natural o residuos de destilación de la hulla o del petróleo, tienen una composición heterogénea caracterizada por alto contenido en carbono y mezclas de: a) Hidrocarburos parafínicos b) Hidrocarburos aromáticos (naftaleno, antraceno, xileno y otros) c) Otros residuos orgánicos ( tiofeno, piridina y otros) Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 192 3) PINTURAS DE SECADO QUÍMICO Se consideran los siguientes apartados: - CONCEPTO PROPIEDADES GENERALES DE LAS PINTURAS DE SECADO QUÍMICO PINTURAS AL ACEITE OLEORRESINOSAS PINTURAS ALQUÍDICAS, ALCÍDICAS U OLEOSINTÉTICAS PINTURAS ALQUÍDICAS CON SILICONA PINTURAS FENÓLICAS PINTURAS EPOXI ESTER RECUBRIMIENTOS EPOXÍDICOS RECUBRIMIENTOS EPOXI-ALQUITRÁN RECUBRIMIENTOS EPOXI-FENÓLICOS RECUBRIMIENTOS DE EMULSIONES EPOXÍDICAS RECUBRIMIENTOS DE POLIURETANO DE DOS COMPONENTES RECUBRIMIENTOS DE POLIESTER PINTURAS DE POLIURETANO DE UN SOLO COMPONENTE RECUBRIMIENTOS DE SILICONAS CURADAS A ALTAS TEMPERATURAS RECUBRIMIENTOS RICOS EN ZINC (TIPO INORGÁNICO ) 3.1) CONCEPTO En el caso de las pinturas de secado químico, en el envase de la pintura se hallan polímeros lineales (o ligeramente ramificados), o productos químicos simples, ocurriendo una reacción química de reticulación (secado o curado), después de la aplicación de la pintura. La reacción química de secado puede ocurrir de dos formas: 1) Reacción de la pintura con componentes del aire. 2) Reacción química entre componentes de la pintura: 1) Reacción de la pintura con componentes del aire. a) Reacción química de la pintura con el oxíeno del aire Es el mecanismo de secado más importante. La unión de las moléculas de la pintura se produce mediante la formación de puentes o enlaces de oxígeno entre ellas. La red tridimensional que se forma es poco compacta y poco resistente químicamente. El proceso de secado por oxidación ocurre en los siguientes tipos de pinturas: 1. Pinturas al aceite. 2. Pinturas Alquídicas ( o alcídicas ) 3. Pinturas alquídicas modificadas 4. Esteres de epoxy ( epoxy ésteres) . b) Reacción de la pintura con el vapor de agua existente en el aire. Ocurre en los siguientes tipos de pintura: 1. Poliuretanos de un solo componente 2. Pintura de etilsilicatos ricos en zinc Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 193 c) Reacción de la pintura con el dióxido de carbono del aire, como ocurre en el curado de los de silicatos de litio, sodio o potasio. 2) Reacción química entre componentes de la pintura: La pintura está constituida por dos componentes que se hallan separados: a) La resina base b) El agente de curado o endurecedor Los componentes anteriores, que inicialmente se hallan en envases diferentes, hay que mezclarlos íntimamente antes de la aplicación. Una vez entran en contacto, reaccionan químicamente, sobre todo cuando se ha evaporado el disolvente. Como ejemplo de pinturas cuyo secado es por reacción entre sus componenentes tenemos: 1. Pinturas o revestimientos epoxy 2. Pintuas o revestimientos de poliuretano. Existe actualmente también la posibilidad de formular pinturas al agua de secaje químico, partiendo de resinas emulsionadas o en solución acuosa. Se puede hacer que cualquier tipo de resina sea soluble en agua. El procedimiento consiste en incorporar suficientes grupos iónicos, normalmente grupos carboxilo, al polímero para dar a la resina una valor alto ácido alto. Estos grupos se neutralizan entonces con una base volatil, como el amoniaco o una amina, con lo que la resina se convierte en una sal polimérica, que es soluble en agua o en mezclas de agua-eter-alcohol. Por ejemplo, los aceites secantes se pueden acidificar si se calientan en presencia de anhídrido maleico, reacción que tiene lugar entre los dobles enlaces en ambos materiales. Si los grupos carboxilo no se neutralizan completamente, se puede producir una emulsión. 3.2) PROPIEDADES GENERALES DE LAS PINTURAS DE CURADO QUÍMICO Las propiedades generales de las pinturas de curado químico son: - Irreversibilidad. Después del curado, las películas de pintura son insolubles en sus disolventes porque las moléculas de las resinas han quedado unidas unas a otras, habiendo perdido su identidad. Debido a ello, la adherencia entre capas puede no ser perfecta si se sobrepasa un intervalo máximo de repintado. - Resistencia a los Disolventes. Como consecuencia de lo anterior, las pinturas de curado químico son resistentes a sus propios disolventes y a otros más débiles. - Dependencia de la temperatura en el proceso de formación de película. Además de influir en la velocidad de evaporación de los disolventes, la temperatura determina la velocidad de las reacciones químicas de formación de película, existiendo en este tipo de pinturas un límite inferior de temperatura por debajo de la cual la reacción se ve tan retardada que tiene un efecto negativo en la formación de la película. - No termoplasticidad. La red polimérica de la pintura curada es tan tupida que incluso a altas temperaturas las moléculas no tienen libertad para vibrar y la película no se reblandece. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 194 3.3) PINTURAS AL ACEITE OLEORRESINOSAS 1. Mecanismo de curado: Reacción de Oxidación. 2. Preparación Mínima de la superficie: Cepillado. 3. Características principales: - Gran facilidad de aplicación. - Sobresalientes propiedades humectantes y de penetración ( adherencia). - Excelente flexibilidad. - Buen espesor de película por capa. - Buena tolerancia de aplicacón sobre superfices deficientemente preparadas. - Muy buena durabilidad al exterior. - Coste relativamente bajo. 4. Principales Limitaciones: - Lento Secado. - Baja resistencia a la Abrasón. - Regular retención de brillo (exterior). - Débil resistencia al agua ( permeables). - Débil resistencia a los disolventes y productos químicos ( álcalis: mal, ácidos débiles: regular). - No son adecuadas para condiciones de inmersión. El componente esencial de una resina que forma película por un proceso de oxidación es una aceite secante (aceites insaturados) , como el que se extrae de la soja de la linaza, entre otros. Estos aceites y ácidos grasos secantes formados por cadenas de átomos de carbono, algunos de cuyos eslabones contienen enlaces dobles que son capaces de abrirse y reaccionar con moléculas de oxígeno absorbidas del aire, creando una serie de “ puentes de oxígeno “ que unen las moléculas de aceite o ácido graso unas con otras, formando una retícula tridimensional. Combinando los ácidos grasos secantes con compuestos químicos se pueden obtener barnices fenólicos y resinas alquídicas, que son las más extensamente utilizadas en la fabricación de pinturas. La estructura molecular de un aceite secante convencional, como el aceite de lino, es la siguiente: Al exponer esta sustancia al aire, el oxígeno ataca los extremos no saturados de la cadena de hidrocarburos en los enlaces dobles, —CH=CH—. Como consecuencia de ello se forma un óxido o éter, y los enlaces cruzados entre las moléculas forman una macromolécula insoluble: Las pinturas oleorresinosas han ido sustituyéndose por las resinas alquídicas u oleosintéticas. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 195 3.4) PINTURAS ALQUÍDICAS, ALCÍDICAS U OLEOSINTÉTICAS 1. Mecanismo de curado: Reacción de Oxidación. 2. Preparación Mínima de la superficie: Cepillado. 3. Características principales: - Buena resistencia a la intemperie - Fáciles de aplicar, a brocha, rodillo o pistola. - Buena nivelación - Tolerantes respecto a la preparación de superficies, especialmente las largas y medias en aceite. - Secaje bastante rápido (según contenido en aceite) - Buenas propiedades humectantes. - Excelente adherencia a la mayoría de las superficies. - Excelente flexibilidad. - Buena conservación del brillo y color (según tipo y longitud de aceite) - Buen espesor de película por capa. - Coste moderado. 4. Principales Limitaciones: Como son ésteres, las resinas alquídicas son menos resistentes a los álcalis ( reacciones de saponificación) o a una exposición prolongada a la humedad. La alquídicas de pentaeritritol son superiores en este respecto a los glicéridos, y por regla general, su capacidad de duración es más elevada. El tratamiento con estireno de las resinas alquídicas suele mejorar su resitencia a los agentes químicos y a la humedad. En síntesis - Baja impermeabilidad y resistencia al agua - No utilizables en inmersión o en condiciones de frecuente condensación - Débil resistencia a los disolventes y productos químicos: a. Resistencia a disolventes: baja. b. Resistencia a los álcalis: baja, ya que presentan reacciónes de saponificación. c. Resistencia a ácidos débiles: satisfactoria. - Débil resistencia al calor. - No aplicables en capas de elevado espesor 5. Aspectos Químicos Las resinas alquídicas (también denominadas alcídicas u oleosintéticas) son poliésteres, a los que se adiciona una cierta cantidad de ácidos grasos para darles flexibilidad Son muy utilizadas debido a su bajo costo, su fácil aplicación y gran versatilidad ya que pueden ajustarse a muchos requisitos de uso final, cambiando reactivos o proporciones entre ellos o bien incluyendo modificadores. Se diluyen en aguarrás o disolventes sintéticos equivalentes (disolventes alifáticos) si bien es cierto que poco a poco van cediendo terreno a otras pinturas más caras pero de mayor calidad y, sobre todo, que no requieren disolventes orgánicos. Las resinas alquídicas pueden clasificarse como: - Resinas alquídicas puras. - Resinas alquídicas modificadas con aceite. - Resinas alquídicas modificadas con otros productos químicos ( silicona, estireno, uretano, etc.) Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 196 Resinas alquídicas puras Las resinas alquídicas puras son poliésteres insaturados, obtenidos mediante polimerización por condensación de ácidos policarboxílicos y polialcoholes. Pertenecen al grupo de los polímeros termoestables. El ácido policarboxílico normalmente empleado es el ácido ftálico. Las resinas alquídicas pueden obtenerse también a través de otros ácidos polifuncionales diferentes al ácido ftálico, entre los cuales se hallan el maleico y el fumárico, que dan lugar a productos que guradan una gran semejanza con los éstereres de ácido ftálico. Los ácidos succínico, adípico y sebácico se emplean en cantidades más pequeñas para producir resinas alquídicas de un carácter algo más flexible. En relación al componente polialcohólico de los poliésteres, aproximadamente el 60 % de los ésteres alquídicos y de resina se basan en la glicerina (CH2OH – CHOH - CH2OH ), el 30 % se obtiene a partir del pentaeritritol y el 10% restante está basado en otros polialcoholes, tales como los glicoles , el sorbitol, el manitol, etc. Las resinas alquídicas de pentaeritritol y sorbitol se secan y toman cuerpo más deprisa que el éster de glicerina correspondiente, debido a funcionalidades mayores de estos alcoholes. Por esta razón, en la tecnología de recubrimientos, suele ser corriente emplearlos en la forma de ésteres mixtos con las resinas alquídicas de glicol y de glicerina. El pentaeritritol permite emplear mayores cantidades de aceite. El alto grado de reticulación alcanzado en las resina alquídicas puras las hace insolubles, infusibles, frágiles y poco compatibles con otros polímeros, por lo que su utilización es bastante limitada. Resinas alquídicas modificadas con aceite. Cuando una parte del ácido policarboxílico de las resinas alquídicas puras se sustituye por ácidos grasos se obtienen las resinas alquídicas modificadas con aceite. Para esta finalidad se han utilizado ácidos grasos tales como el oleico, linoleico, oleosteárico y ricinoleico, de forma que uno o dos hidróxilos del alcohol trivalente glicerina pueden esterificarse por un ácido monobásico para dar polímeros de propiedades intermedias entre la resina de ftalato y el aceite secante. La reducción de la funcionalidad que se obtiene con esta modificación proporciona una menor reticulación, haciendo que estas resinas sean solubles y compatibles con otras sustancias filmógenas. Las resinas alquídicas modificadas con aceites se secan tanto por condensación (reacciones de esterificación) como por autoxidación de los aceites secantes. Por este motivo se produce esa capa de pintura sólida en la parte superior de los botes que llevan tiempo abiertos y por ello deben estar el mínimo tiempo de esta forma. El oxigeno que ha entrado en el envase reacciona con la capa superior de la pintura en el bote y se forma la "nata". Las propiedades de la resina alquídica dependen en gran medida de su contenido de aceite, presentando propiedades que varían en un margen muy amplio, desde películas duras y frágiles a otras flexibles y tenaces: - Cuanto mayor es el contenido en ácidos grasos de la resina, más largos son los procesos de secado y endurecimiento y mayores son la flexibilidad, humectación y adherencia al substrato. - Por el contrario, la dureza, impermeabilidad y retención de brillo son mejores cuanto menor sea el contenido de aceite. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 197 Según el porcentaje en peso de aceite (ácidos grasos), las resinas alquídicas modificadas pueden clasificarse en cortas, medias y largas. - Las resinas cortas en aceite contienen menos de un 40% p de ácidos grasos. Requieren disolventes más fuertes y se aplican con mayor dificultad. Se utilizan en esmaltes de carrocerías y de otros productos metálicos que deben ser aplicados a pistola, o por inmersión, y secados en horno. Asimismo, junto con la nitrocelulosa y las resinas de resinas de ureaformaldehido o melamina formaldehido, se utilizan en la preparación de lacas y esmaltes de gran calidad, tanto para metales, como para madera. - Las resinas de contenido medio de aceite contienen del 40 al 60 % p de ácidos grasos. Son las más versátiles y utilizadas. Son solubles en disolventes alifáticos de bajo punto de ebullición, permitiendo su aplicación con brochas, pero también pueden prepararse con disolventes de alto punto de ebullición para aplicaciones mediante pistola ( esmaltes de secado al aire, etc). - Las resinas largas de aceite contienen más del 60% p de aceite. Se disuelven muy bien en los disoventes habituales y dan pintuas de fácil aplicación y secado lento, pero las películas que recubren el sustrato resultan poco cohesivas y compactas; es decir, presentan un comportamiento similar al de las pinturas al aceite, aunque generalmente más satisfactorio. Habitualmente se emplean como pinturas en tareas de mantenimiento industrial ( cuando no es posible realizar una perfecta limpieza del sustrato metálico mediante chorreado con arena o granalla metálica), pigmentadas con minio de plomo; su empleo en este campo se va reduciendo debido a los excelentes resultados para estos trabajos de las pinturas a base de resinas epoxi. En acabados industriales no se pueden usar debido a su lentitud de secado, que difícilmente puede forzarse. Resinas alquídicas modificadas con diferentes productos químicos Las resinas alquídicas pueden modificarse con diferentes productos, distintos de los aceites, afin de obtener pinturas con propiedades especificas. Algunas de las modificaciones más usuales son: - Alquídicas estirenadas. La copolimerización con estireno proporciona resinas alquídicas con secaje más rápido y mayor resistencia química y al agua, pero menos tolerantes con una preparación de superficie defectuosa. Por regla general, puede decirse que las resinas alquídicas tratadas con estireno son muy adecuadas para los acabados industriales y domésticos baratos, a los que se desea comunicar propiedades de buena protección y secado rápido. - Alquídicas uretanadas. Las resinas alquídicas modificadas con isocianato tienen un secaje algo más rápido, así como una mayor dureza de la película seca tanto en superficie como en profundidad. Por ello, a menudo se utilizan para la formulación de imprimaciones para piezas que tengan que soportar manipulaciones después de ser imprimadas. También se utilizan para pinturas de alto espesor y barnices para madera. - Alquídicas siliconadas. Las pinturas alquídicas reforzadas con siliconas reúnen la facilidad de aplicación de los esmaltes alquídicos y las características hidrófobas de las siliconas, secando y endureciendo muy rápidamente con excelentes colores y brillo. Un conteruído en silicona superior al 30% mejora en gran manera la resistencia a la intemperie así como la retención de brillo. Resultan especialmente recomendables para pinturas de acabado expuestas a la acción directa de una intensa radiación solar. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 198 Las resinas alquídicas se pueden modificar o mezclar sin dificultad con muchas otras resinas, entre las que se encuetnran las de fenol, urea, melamina, ésteres de resina , resinas naturales, etc. La blandura de las resinas alquídicas largas en aceite, determina que sean muy adecuadas como plastificantes de nitrocelulosa, de resinas vinílicas y de muchas otras, duras o frágiles. Barnices Alquídicos. Son simplemente pinturas alquídicas sin pigmento. Son los más conocidos en el comercio. Su comportamiento, aplicación, uso de disolventes, etc. es el mismo que para las pinturas alquídicas. 3.5) PINTURAS ALQUÍDICAS CON SILICONA 1. Mecanismo de curado: Reacción de Oxidación. 2. Preparación Mínima de la superficie: Cepillado. 3. Características principales: - Excelente adherencia a la mayoría de las superficies. - Buena rsistencia al calor. - Mejor resistencia química que los recubrimientos alquídicos. - Excelente flexibilidad. - Muy buena resitencia a la humedad. - Buena retención del color y brillo (aunque peor que los recubrimietnos alquídicos) - Excelente durabilidad al exterior. 4. Principales Limitaciones: - Débil resistencia a los disolventes. - Relativamente caros. - No son adecuados para condiciones de inmersión. 3.6) PINTURAS FENÓLICAS 1. Mecanismo de curado: Reacción de Oxidación. 2. Preparación mínima de la superficie: Chorreado Ligero 3. Características principales: - Excelente resistencia al agua. - Muy buena resistencia química. - Excelente durabilidad al exterior. - Película de gran dureza. - Buen espesor de película por capa. 4. Principales Limitaciones: - Película muy frágil. - Intervalo crítico de repintado ( posibles problemas de adherencia entre capas). - Débil retención de brillo. - Resistencia química similar a los revestimientos alquídicos. - Amarillea con el envejecimiento. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 199 3.7) PINTURAS EPOXI ESTER 1. Mecanismo de curado: Reacción de Oxidación. 2. Preparación mínima de la superficie: Cepillado 3. Características principales: - Recubrimiento de un componente ( no es un recubrimiento epoxi catalizable). - Gran dureza y alta durabilidad. - Fácil de aplicar. - Muy buena resistencia química. - Muy buena resitencia al agua. - Buena humectabilidad y adeherencia. - Alto espesor de película por capa. - Corto tiempo de secado. - Coste moderado. 4. Principales Limitaciones: - Débil retención de brillo. - Débil resistencia al calor. - Amarillea con el envejecimiento. - Moderada resitencia a humos de naturaleza química. - Mayor tendencia a enyesar que los recubrimientos epoxídicos. - Peor resistencia al agua y a los productos químicos que los recubrimientos epoxídicos. 5. Aspectos Químicos A menudo se habla de las pinturas de epoxiester como de productos epoxy de un solo componente, lo cual es completamente falso. En realidad se trata de resinas alquídicas a base de aceites secantes, a las que se ha adicionado resina epoxy para darles un secaje más rápido y mejor resistencia al agua y a los álcalis, pero en cambio muestran una mayor tendencia a calear, perdiendo el brillo, y a amarillear. Sus propiedades están lejos de asemejarse a las pinturas epoxy de dos componentes pero muestran buena adherencia al acero y buenas propiedades anticorrosivas, por lo que a menudo las resinas de epoxiester se emplean para formular imprimaciones anticorrosivas que requieran buena resistencia mecánica, así como para pinturas de secaje forzado a temperaturas elevadas. El grupo epoxy ha quedado bloqueado al reaccionar con el ácido graso y la película seca se forma, como en las alquídicas, por absorción de oxígeno y polimerización a partir de los dobles enlaces presentes en las cadenas de ácidos grasos secantes. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 200 PINTURAS DE DOS COMPONENTES Las pinturas de dos componentes forman la película mediante una reacción química de polimerización entre dos componentes usualmente denominados "base" y "agente de curado" o “endurecedor ”que se suministran separadamente y se mezclan inmediatamente antes de la aplicación. 3.8) RECUBRIMIENTOS EPOXÍDICOS Las resinas epoxy curan o endurecen formando película a temperatura ambiente mediante la adición de agentes de curado tales como ciertas aminas, poliamidas o isocianatos. El agente de curado reacciona con la resina epoxy constituyendo una red tridimensional muy compacta. Debido a que la reacción química se inicia imnediatamente después de la mezcla de los dos componentes, la pintura tiene lo que se llama una "vida de la mezcla" limitada, que puede ser de pocos minutos o de varias horas según la reactividad de las resinas empleadas, al cabo de la cual la pintura ya no debe emplearse por haber llegado a un grado de reticulación que le impediría acoplarse y continuarla en la película delgada aplicada. Asimismo, la película seca tiene un intervalo máximo de repintado (que corresponde al momento en que la reacción se ha completado y no quedan moléculas libres de resina para reaccionar), por encima del cual se corre el riesgo de conseguir poca adherencia entre capas de pintura. Este tiempo máximo de repintado suele ser de varias horas o de varios días, según los tipos. Una vez curada, la película de pintura es dura, tenaz y resistente, pero calea con cierta rapidez perdiendo el brillo cuando se expone a la luz solar, sobre todo si se trata de pinturas pigmentadas. Ello influye únicamente en el aspecto estético, pues el caleo es muy superficial, y no representa ningún inconveniente para la eficacia protectora de la película de pintura. Las amidas y poliamidas son los agentes de curado más versátiles, dando una buena resistencia al agua y una buena facilidad de aplicación, en tanto que las aminas proporcionan una mayor resistencia química, pero una vida de la mezcla y unos intervalos de repintado más cortos. Por otra parte, estos agentes de curado tienen gran influencia en la temperatura mínima de curado y en la vida de la mezcla: - Con las poliamidas se precisa una temperatura mínima de 13 ºC para que el curado de la película se realice normalmente, y la vida útil de la mezcla es bastante larga, normalmente varias horas. - Las aminas reaccionan a temperaturas mucho más bajas y con más rapidez, por lo que la vida de la mezcla es mucho más corta, en algunos casos minutos, precisándose en ciertos casos el uso de aparatos de aplicación con dosificadores especiales separados para cada componente, realizándose la mezcla en una recámara justo antes de su entrada en la pistola de proyección sin aire. Las resinas epoxy pueden producirse en diferentes tamaños de moléculas, con pesos moleculares diferentes, las más pequeñas de las cuales corresponden a resinas que son líquidas a temperatura ambiente. Estas resinas de bajo peso molecular permiten la formulación de pinturas epoxy libres de disolventes, o con un contenido muy bajo de los mismos, con las que se consiguen películas gruesas, de gran compactación y bajísima permeabilidad, muy eficaces para el recubrimiento interior de tanques, con garantías sanitarias para productos alimenticios. Gracias a su elevada resistencia química, las resinas epoxy, combinadas con los agentes de curado más adecuados en cada caso, se emplean entre otras cosas para la fabricación de recubrimientos para el interior de depósitos, tanques y cisternas de acero y hormigón dedicados al almacenaje o al transporte de productos químicos como ácidos, álcalis, disolventes, combustibles, etc., o bien de productos alimenticios. Existen pinturas epoxy con formulaciones especiales diluibles con agua, con un contenido en disolventes muy bajo, lo que las hace muy útiles cuando las condiciones de aplicación carezcan de Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 201 buena ventilación, o cuando la emisión de disolventes puede afectar a los productos que se estén manufacturando en zonas próximas de la misma nave industrial. Las resinas epoxy-fenólicas o novolacas presentan una resistencia química todavía mayor y son utilizadas para fabricar recubrimientos resistentes a ácidos organicos y minerales, en la zona de acidez en la que las resinas epoxy normales no resisten, o bien a disolventes orgánicos muy agresivos y penetrantes. Las características fundamentales de las pinturas epoxi de dos componentes son las siguientes: 1. Mecanismo de curado: Reacción de Polimerización. 2. Preparación mínima de la superficie: Chorreado Comercial. 3. Características principales: - Excelente resistencia al agua. Combinadas con breas dan recubrirnientos de brea-epoxy, de muy elevada impermeabilidad. Utilizables en inmersión, especialmente las breas-epoxy. Excelente resistencia química, especialmente a los álcalis y disolventes. Buena resistencia a la intemperie. Aplicables en espesores por capa muy elevados, en formulaciones adecuadas. Excelente resistencia a los disolventes. Gran tenacidad, dureza y resistencia a la abrasión y al impacto. Resisten temperaturas de hasta 125 –150 ºC de exposición continua según formulaciones. Permiten la fabricación de pinturas sin disolventes o con muy bajo contenido de los mismos Permiten la fabricación de pinturas diluibles en agua. Corto tiempo de curado ( rápido repintado ). Fácil aplicación. Excelente adherencia y buena humectabilidad. 4. Principales Limitaciones: - Recubrimiento de 2 componentes. Vida limitada de mezcla (8-16 horas ). - Necesidad de dosificar y mezclar correctamente los dos componentes. - La temperatura de curado debe ser superior a 10 ºC, aunque puede rebajarse hasta 0 ºC con frmulaciones especiales. Los sobrecurados provocan problemas de adherencia entre capas. - Permeabilidad limitada. - Débil retención del brillo. Tendencia a perder el brillo (calear) a la intemperie. - Amarillea y enyesa con el envejecimiento. - Regular resistencia a los ácidos. - Difíciles de recubrir. - Precisan buena preparación de superficie .Poco tolerantes a la hora de aplicarlas sobre superficies húmedas y deficientemente preparadas. - Tienen intervalo máximo de repintado, aunque existen formulaciones especiales “no max - Posibles problemas de alergia en los aplicadores. Nota: Las propiedades generales de las resinas epoxy pueden consultarse en el apartado de Materiales Poliméricos. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 202 3.9) RECUBRIMIENTOS EPOXI-ALQUITRÁN Algunos tipos de breas pueden mezclarse con resinas epoxy para formular pinturas de breaepoxy, con una superior resistencia al agua. Las pinturas de brea-epoxy llevan muchos años en el mercado y se han acreditado como las de mejor comportamiento en cuanto a impermeabilidad y resistencia al agua, siendo las más indicadas para proteger estructuras en inmersión o enterradas. Sin embargo, su resistencia a los disolventes es inferior a la de las pinturas epoxy puras, así como su resistencia a la intemperie. La brea tiene tendencia a sangrar en las capas de pintura sucesivas, alterando su coloración. Los intervalos máximos de repintado de este tipo de pinturas suelen ser bastante cortos (del orden de unos cuantos días), por lo que se exige una buena programación de los trabajos de pintado. Sus características fundamentales son las siguientes: 1. Mecanismo de curado: Reacción de Polimerización. 2. Preparación mínima de la superficie: Chorreado Comercial. 3. Características principales: - Fácil aplicación. - Alto espesor de película por capa. - Rápido curado. - Buena resistencia química (agua, ácidos débiles, álcalis y sales ). 4. Principales Limitaciones: - Sobrecurados provocan adherencia entre capas. - En términos generales, peor resistencia a los productos químicos y disolventes que los recubrimientos epoxídicos. - Limitación de color ( negro ).. 3.10) RECUBRIMIENTOS EPOXI-FENÓLICOS 1. Mecanismo de curado: Reacción de Polimerización 2. Preparación mínima de la superficie: Chorreado a Metal Blanco 3. Características principales: - Excelente resistencia a la abrasión ( película extremadamente dura ). - Alto espesor de película por capa. - Buena resistencia al calor. - Excelente resistencia al agua. - Excelente resistencia a los productos químicos (especialmente a los ácidos) y disolventes. 4. Principales Limitaciones: - Intervalos críticos de repintado. - Requiere superficies muy bien preparadas - No adecuada para exteriores. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 203 3.11) RECUBRIMIENTOS DE EMULSIONES EPOXÍDICAS 1. Mecanismo de curado: Evaporación y Polimerización. 2. Preparación mínima de la superficie: Chorreado Comercial. 3. Características principales: - Películas duras resistentes a la abrasión. - Alto espesor de película por capa. - Excelente adherencia, en particular sobre recubrimientos intactos envejecidos. - Aptos para su aplicación directa sobre superficies limpias y secas de hormigón. - Facilidad en poder ser recubiertos, después de largos períodos de tiempo, con gran variedad de recubrimientos. - Muy buena resistencia a humos y salpicaduras de productos químicos y disolventes. 4. Principales Limitaciones: - Recubrimiento de 2 componentes. - La temperatura de curado debe ser superior a 10 ºC. - Enyesa con el envejecimiento. - No recomendable para servicios de inmersión (agua, productos químicos, disolventes). - Relativamente caros. 3.12) RECUBRIMIENTOS DE POLIURETANO DE DOS COMPONENTES Se presentan como productos de dos componentes: - La base, normalmente formulada con la resina portadora de grupos OH-, - El agente de curado, generalmente el poliisocianato. Tienen mejores propiedades de resistencia a la intemperie que las pinturas epoxy y curan a temperaturas más bajas. Sin embargo, durante el proceso de curado, los poliuretanos son más sensibles a la humedad que las pinturas epoxy, ya que los isocianatos son susceptibles de reaccionar con el agua, que también es portadora de grupos OH-. Los isocianatos pueden ser aromáticos, cuando contienen un anillo bencénico en su molécula, y alifáticos, si están constituidos por una cadena lineal. Ambos proporcionan películas de gran resistencia mecánica y química, y ambos curan a temperaturas más bajas que las pinturas epoxy. La diferencia principal estriba en que los isocianatos aromáticos secan algo más rápidamente que los alifáticos, y tienen algo más de dureza y resistencia, pero a la intemperie calean (perdiendo el brillo) y amarillean rápidamente con la luz. En cambio, los isocianatos alifáticos conservan muy bien el brillo y el color (especialmente importante en caso de productos blancos) y son mucho más resistentes a la radiación ultravioleta, por lo que son más recomendables para pinturas de acabado al exterior, sobre todo en blanco y colores claros. Al igual que las resinas epoxy, los isocianatos pueden tener diferentes tamaños de molécula con diferentes pesos moleculares y algunos de ellos permiten la fabricación de pinturas libres de disolventes. Recientemente se han desarrollado los denominados poliuretanos bloqueados, que son isocianatos cuyos grupos reactivos están químicamente bloqueados y son inertes a temperatura ambiente. Por este motivo permiten la fabricación de pinturas de un componente, ya que aunque se mezclen en el mismo envase con resinas portadoras de grupos hidroxilo, a temperatura ambiente no reaccionan. La reticulación sólo se produce después de aplicada la pintura, introduciendo el objeto pintado en un horno a una temperatura de 140 ºC. Los grupos isocianato se desbloquean y reaccionan químicamente con los grupos hidroxilo, produciéndose el curado. Debido a la compatibilidad y buena adherencia entre las pinturas de poliuretano y las epoxy, a menudo se especifican sistemas mixtos a base de imprimaciones y capas intermedias de tipo Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 204 epoxy, y de pinturas de poliuretano alifático de acabado. Ello permite combinar las magníficas prestaciones estéticas del poliuretano alifático juntamente con la gran capacidad protectora de los recubrimientos epoxy, a un precio más asequible que si todo el sistema estuviera constituido por pinturas de poliuretano alifático, y sin los riesgos de la posible presencia de humedad en los substratos a pintar. Sus características fundamentales son las siguientes: 1. Mecanismo de curado: Reacción de Polimerización 2. Preparación mínima de la superficie: Chorreado Comercial 3. Características principales: - Buena resistencia al agua. - Combinadas con breas dan recubrimientos de brea-poliuretano de elevada impermeabilidad, utizables en inmersión. - Excelente resistencia química, similar a los recubrimientos epoxídicos. - Excelente resistencia a los disolventes. - Excelente resistencia a la intemperie. - Fácil aplicación por métodos convencionales. - Buena adherencia al substrato - Buena adherencia sobre pinturas epoxy - Aplicables en espesores por capa elevados, en formulaciones adecuadas - Rápido tiempo de secado. - Gran dureza, flexibilidad y resistencia a la abrasión. - Excelente conservación de color y brillo (solo alifáticos). - Resisten temperaturas de hasta 125-150 ºC de exposición continua, según formulaciones. - Periniten la fabricación de pinturas sin disolventes o con muy bajo contenido de los mismos. - Curables a partir de O ºC (temperatura mínima de polimerización) o incluso menos. - Últimamente se están desarrollando tipos emulsionados en agua. 4. Principales Limitaciones: - Precisan buena preparación de superficie - Poca tolerancia a la contaminación por humedad anterior al curado - Dos componentes, con una vida de mezcla limitada - Difícil repintado. Tienen intervalo máximo de repintado, aunque existen formulaciones especiales "nomax" . - Posibles problemas de alergia a los aplicadores. - Sensibles a la humedad ambiental elevada - Muy alto costo. Nota: Las propiedades generales de las resinas de poliuretano pueden consultarse en el apartado de Materiales Poliméricos. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 205 3.13) RECUBRIMIENTOS DE POLIESTER 1. Mecanismo de curado: Reacción de Polimerización 2. Preparación mínima de la superficie: Chorreado a Metal Blanco. 3. Características principales: Frecuentemente usados con fibra de vidrio para dar lugar a recubrimientos compactos y de buena resistencia al agua. Nota: Las propiedades generales de las resinas de Poliéster pueden consultarse en el apartado de Materiales Poliméricos. OTROS MECANISMOS DE FORMACIÓN DE LA PELÍCULA 3.14) PINTURAS DE POLIURETANO DE UN SOLO COMPONENTE La tendencia de los isocianatos a reaccionar con agua puede aprovecharse para emplear isocianatos de cadena larga y alto peso molecular en la formulación de barnices y pinturas de poliuretano curables con humedad. Después de su aplicación, la película se fórma por reacción del isocianato con el vapor de agua absorbido de la atmósfera. Este tipo de productos tiene propiedades parecidas a los poliuretanos de dos componentes, con la limitación de que su formación de película depende de la humedad ambiental, que en este caso particular conviene que sea alta. Además, debe tenerse especial cuidado en el proceso de fabricación, la hermeticidad de los envases y las condiciones de almacenaje, a fin de evitar que el producto líquido absorba humedad y gelifique dentro del envase. Además de tener que deshumidificar los pigmentos y extendedores empleados, a veces es incluso necesario fabricar y envasar en atmósfera de nitrógeno a fin de evitar la entrada de humedad. 3.15) RECUBRIMIENTOS DE SILICONAS CURADAS A ALTAS TEMPERATURAS Con la excepción obvia de los silicatos, los polímeros utilizados en la fabricación de pinturas están basados en cadenas de átomos de carbono. En las siliconas, el esqueleto está formado por átomos de silicio y de oxígeno alternados, con ramificaciones de cadenas de carbono. A temperaturas elevadas, de alrededor de 200 ºC, se produce una reacción de condensación entre las moléculas que origina la unión entre ellas y el desarrollo de una red tridimensional de características parecidas a las de las pinturas de curado químico. Las siliconas suelen combinarse con otros tipos de resinas como las alquídicas, acrílicas, etc., con objeto de reducir su coste y mejorar sus propiedades mecánicas en la fase previa al curado, aunque ello dismiinuye la resistencia a temperaturas elevadas. Las pinturas a base de silicona se utilizan primordialmente para recubrir superficies que vayan a estar permanentemente a temperaturas superiores a los 200 ºC, y es condición imprescindible que se alcance como mínimo esta temperatura a fin de que la pintura polímerice y cure completamente, desarrollando la totalidad de sus propiedades. Sus características fundamentales son las siguientes: 1. Mecanismo de curado: Reacción de Polimerización ( requiere aporte externo de calor ). 2. Preparación mínima de la superficie: Chorreado a Metal Blanco. 3. Características principales: - Resistencia a temperaturas elevadas, de hasta 600 ºC si se pigmentan con aluminio. - Buena resistencia y repelencia al agua. - Buena resistencia a la intemperíe. - Buena resistencia química. - Resistencia a las salpicaduras de aceites y grasas vegetales, animales y rminerales. - Buena conservación del brillo y del color. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 206 4. Principales Limitaciones: - Deben ser curados con aporte de calor. Aunque secan inicialmente a temperatura ambiente por evaporación del disolvente, requieren elevadas temperaturas (200 ºC o más) durante una o dos horas para curar completamente y conseguir desarrollar todas sus propiedades. - Pobre resistencia mecánica (abrasión, impacto, etc.) - Débil resistencia a los disolventes. - Pobre resistencia a los disolventes antes del curado completo - Requieren superficies perfectamente limpias. - Muy alto coste. Nota: Las propiedades generales de las siliconas pueden consultarse en el apartado de Materiales Poliméricos. 3.16) RECUBRIMIENTOS RICOS EN ZINC (TIPO INORGÁNICO ) 1. Mecanismo de curado: Evaporación y Polimerización. 2. Preparación mínima de la superficie: Chorreado a Metal Blanco. 3. Características principales: - Ofrece protección con una sola capa en numerosas condiciones ambientales. - Protección de larga duración cuando se usan en conjunción con adecuadas pinturas de acabado. - Suministra protección catódica. - Excelente durabilidad al exterior. - Excelente resistencia al calor ( hasta 300 ºC). - Excelente resistencia a la abrasión. - Insoluble en compuestos hidrocarbonados. - lor a temperaturas elevadas. 4. Principales Limitaciones: - Requieren un excelente preparación de la supericie. - Aplicación sofisticada. - No son adecuadas para condiciones ácidas (pH < 5) o alcalinas ( pH > 10,5 ), a no ser que estén recubiertas con pinturas de acabado adecuadas. - Alto coste. 2.3.1.3 ESPECIFICACIONES PARA LOS TRABAJOS DE PINTURA El proceso o esquema completo de pintado comprende los siguientes apartados: 1) PREPARACIÓN DE LAS SUPERFICIES 2) PINTURA 2.1. Tipo de pintura que se va a utilizar 2.2. Capas que se aplicarán. 2.3. Espesor de película seca de cada capa. 2.4. Espesor total del esquema o sistema. 2.5. Medios de aplicación Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 207 1) PREPARACIÓN DE LAS SUPERFICIES La durabilidad de un recubrimiento protector depende en mayor medida de la preparación previa de la superficie, que de la calidad del propio recubrimiento. Suele dar mejores resultados un recubrimiento de calidad media aplicado sobre una superficie bien preparada, que otro de elevada calidad aplicado sobre una superficie deficientemente preparada. La preparación de las superficies pretende dos objetivos: 1. Limpieza de materias contaminantes: polvo, grasa, productos de corrosión, contaminantes salinos, etc. 2. Conferir a la superficie metálica rugosidad que aumente el área real de contacto metal/pintura y favorezca el anclaje de esta última. Se consideran los siguientes apartados: 1.1) PREPARACIÓN Y ESPECIFICACIONES PARA LAS SUPERFICIES QUE NO HAN SIDO PREVIAMENTE PINTADAS. 1.2) PREPARACIÓN SECUNDARIA DE SUPERFICIES 1.1) PREPARACIÓN Y ESPECIFICACIONES PARA LAS SUPERFICIES QUE NO HAN SIDO PREVIAMENTE PINTADAS. Consta de las siguientes operaciones: 1.1.1) Tratamiento de los defectos superficiales y eliminación de material sobrante 1.1.2). Limpieza de la superfice 1.1.3) Evaluación del grado de corrosión existente 1.1.4). Procedimientos y Especificaciones para la Limpieza de las superficies 1.1.5) Recomendaciones Generales sobre el tipo de pintura a aplicar según el estado inicial del acero y el tratamiento de preparación realizado 1.1.1) Tratamiento de los defectos superficiales y eliminación de material sobrante Antes de la limpieza de la superficie deben ser reparados los defectos o irregularidades superficiales. Para ello, conviene que se especifique la realización de los siguientes trabajos: - Eliminar las posibles exfoliaciones mediante muela de esmeril. Eliminar las proyecciones y pegotes de soldadura, mediante muela de esmeril. Redondear y aplanar los cordones de soldadura rugosos e irregulares, también con muela de esmeril. Rellenar las posibles entalladuras y mordeduras del acero con soldaduras, procediendo después al aplanado de la mismas. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua - 208 Eliminación de rebabas y biselado de los cantos vivos en casos de elevada exigencia, también con muela de esmeril. Eliminación de posibles costras de óxido mediante picado y rascado. En la tabla siguiente se resumen los principales defectos superficiales que suele presentar el acero y el tratamiento que han de recibir: 1.1.2). Limpieza de la superfice La superficie del acero estará casi siempre recubierta por una serie de contaminantes que hay que eliminar antes de proceder a la aplicación de la pintura. La limpieza de contaminantes consiste básicamente en la eliminación de la grasa, suciedad y polvo acumulados, mediante el empleo de detergentes, que deben ser eliminados posteriormente con agua dulce a presión, la cual se llevará consigo además las posibles sales presentes. La práctica de desengrasar con trapos empapados de disolventes no es recomendable por motivos ecológicos y sanitarios, además de ser poco eficaz, ya que más que eliminar la grasa o el aceite, lo que se consigue es repartirlos uniformemente por toda la superficie. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 209 En la Tabla siguiente se resumen los contaminantes habituales y el tratamiento indicado para su eliminación. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 210 1.1.3) Evaluación del grado de corrosión existente Una vez realizadas las operaciones descritas en los apartados 1.y 2. anteriores, el estado de la superficie podrá ser clasificado como: A, B, C o D según la norma ISO 8501-1, equivalente a la norma sueca SIS 055900 (Preparación de Superficies de Acero): Grado de Corrosión A B C D DESCRIPCIÓN Superficie de acero completamente recubierta con cascarilla de laminación o calamina y con trazas de óxido. El grado A es normalmente el que presenta el acero poco tiempo después de su laminación en caliente Superficie de acero que ha iniciado su corrosión y de la que ha empezado a desprenderse la cascarilla de laminación. El grado B es normalmente el estado de una superficie de acero laminado en caliente después de haber permanecido expuesta a la intemperie, sin protección, en una atmósfera medianamente corrosiva, durante 2 ó 3 meses. Superficie de acero de la que la corrosión ha hecho saltar la totalidad de la cascarilla de larninación, pero que todavía no presenta picaduras detectables a simple vista. El grado C es normalmente el estado de una superficie de acero que ha sido expuesta a la intemperie, sin protección, en una atmósfera medianamente corrosiva, durante 1 año, aproximadamente. Superficie de acero de la que se ha desprendido la totalidad de la cascarilla de laminación y en la que se observan picaduras a simple vista. El grado D corresponde al estado de una superficie de acero después de su exposición a la intemperie, sin protección, en una atmósfera medianamente corrosiva durante unos 3 años 1.1.4) Procedimientos y Especificaciones para la Limpieza de las superficies Limpieza de la superficie 1.1.4.1 Procedimientos de limpieza superficial a) Limpieza manual (St) b) Chorreado abrasivo (Sa) 1.1.4.2 Especificaciones para la limpieza de superficies Una vez determinado el estado de corrosión de la superficie, debe especifícarse el procedimiento de limpieza para la eliminación de la herrumbre y de la cascarilla de laminación, según el tipo de pintura que se va a aplicar y la durabilidad que se pretende conseguir. 1.1.4.1 PROCEDIMIENTOS DE LIMPIEZA SUPERFICIAL a) Limpieza manual (St) Se denomina limpieza manual aquella que se realiza mediante el empleo de herramientas accionadas manualmente, o bien mediante motores eléctricos o neumáticos. Además de ser útiles para la reparación de los defectos superficiales del acero o de los que se hayan podido producir durante la construcción, estas herramientas sirven para la eliminación de costras de herrumbre, depósitos de óxido, pintura vieja mal adherida, sedimentos de suciedad, etc. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 211 aunque ninguno de ellos es capaz de eliminar la cascarilla de laminación o calamina en su totalidad. Sirven para eliminar los fragmentos de calamina ya medio desprendidos, pero son ineficaces ante la calamina bien adherida. En general, puede decirse que el grado de limpieza obtenido con este tipo de herramientas es más bajo que el que se consigue con el procedimiento de chorreado abrasivo, pero puede ser suficiente para según qué tipos de recubrimientos y, a menudo, constituyen la única alternativa, cuando es imposible chorrear por motivos de seguridad, de contaminación, de protección de maquinaria colindante o simplemente por razones económicas, circunstancias que suelen darse especialmente en trabajos de mantenimiento. El resultado obtenido con una limpieza manual concienzuda es radicalmente distinto según haya calamina presente sobre la superficie o no. Si hay calamina, por muy bien que se limpie la superficie siempre quedarán restos de ella adheridos al acero, que provocarán fallos prematuros del sistema protector. En cambio, si no hay calamina, combinando la limpieza manual con el uso de detergentes y agua a presión para eliminar grasas y sales, es posible alcanzar grados de limpieza suficientemente buenos como para, aplicando sistemas de pintura convenientemente seleccionados, obtener una protección eficaz y razonablemente duradera. De todas formas, si el condicionante para escoger entre una limpieza de este tipo o un chorreado abrasivo es únicamente económico, es recomendable evaluar bien el coste de ambos procedimientos, ya que a menudo, según la forma, estado y dimensiones de la estructura a limpiar, la limpieza manual no es más barata que el chorreado. Hay que tener en cuenta que la limpieza manual es muy lenta y cansada para el operario, y aunque se puede ganar bastante en rapidez usando herramientas accionadas mecánica o neumáticamente, el procedimiento sigue siendo lento y cansado. Los tipos de herramientas más comúnmente utilizados son: Cepillos, rasquetas, cinceles, cinceles de agujas, piquetas y martillos neumáticos, lijadoras y amoladoras. b) Chorreado abrasivo (Sa) El chorreado abrasivo es, con mucho, el mejor método para la limpieza de grandes superficies de acero que no se pueden tratar en cadena ni en baños de decapado. Este método puede usarse tanto en campo, al aire libre, como en el interior de recintos. El chorreado abrasivo consiste en la proyección de partículas de material abrasivo a alta velocidad y con una elevada energía cinética contra las superficies de acero a limpiar. El impacto de las partículas de abrasivo contra la superficie provoca el desprendimiento de los contaminantes superficiales adheridos al metal, arrancando la cascarilla de laminación, la herrumbre, los contaminantes ambientales, etc., y dejando una superficie limpia y con una cierta rugosidad superficial que siempre favorece al anclaje posterior de las capas de pintura. El chorreado abrasivo limpia el metal de contaminantes superficiales, y además modifica su superficie, creando una cierta rugosidad, según el tipo de abrasivo y velocidad de proyección del mismo. Los tipos de abrasivo más utilizados son: - La arena silícea o de cuarzo y el pedernal molido. Son abrasivos naturales, baratos y eficaces, pero producen gran cantidad de polvo por ser de partícula muy quebradiza y no pueden ser recirculados ni reutilizados. - Los abrasivos metálicos, especialmente la granalla esférica y la angular. Son eficaces, duros y no producen polvo. Son caros, pero pueden recircularse gran número de veces, ya que sus partículas no son quebradizas, aunque en el caso de la granalla angular, se van redondeando por el uso. Deben ser almacenadas adecuadamente para que no se oxiden. - Las escorias de cobre, de níquel, de calderas, etc., son subproductos de las industrias mineras o eléctricas. Son muy cortantes, pero tienen un elevado coeficiente de rotura, por lo que producen polvo abundante y no pueden recircularse ni reutilizarse. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 212 - Los abrasivos sintéticos, como el óxido de aluminio (corindón) y el carburo de silicio, no son metálicos, pero tienen propiedades similares a ellos, con la ventaja de que no se oxidan. Son muy duros, muy cortantes y producen poco polvo, y aunque son caros, pueden recircularse. Medios de proyección del abrasivo: 1. Chorreado seco: Es la modalidad más practicada en trabajos en campo al aire libre. Una superficie recién chorreada es muy sensible a la corrosión, especialmente en ambientes húmedos fuertemente contaminados. Por este motivo, es conveniente aplicar la primera capa de imprimación anticorrosiva lo antes posible a fin de evitar que la superficie empiece a reoxidarse. El intervalo de que se dispone suele ser de 4 a 6 horas, en ambientes húmedos de contaminación fuerte o moderada y hasta 8-10 horas en ambientes más secos y menos contaminados 2. Chorreado con agua y abrasivo, o con agua sola: El chorreado con abrasivo y agua se denomina también “chorro húmedo” y consiste básicamente en adicionar agua dulce a la corriente de aire y abrasivo que se impulsa a través de la boquilla, pudiendo incluso llegar a sustituir completamente el aire por el agua. Las ventajas principales del chorro húmedo son: a. Minimiza o elimina la producción de polvo y la subsiguiente contaminación ambiental del chorro seco. b. Evita la formación de las chispas al impactar el abrasivo con la superficie del acero, y que pueden ser muy peligrosas en ciertas instalaciones con elementos inflamables, donde debe prohibirse el uso del chorro seco. Deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones: a. El agua que se emplee debe ser dulce ( con un mínimo contenido en sales) y lo más limpia posible y, desde luego, debe ser dulce, con un mínimo contenido en sales. Cualquier tipo de contaminante presente en el agua puede reaccionar con el acero y perjudicar la adherencia posterior de la pintura. b. Tras realizar el chorreado húmedo con abrasivo queda sobre la superficie una ligera capa de barro constituido por una mezcla de polvo de abrasivo y contaminantes (calamina, herrumbre, etc), que se adhiere fuertemente al acero debido al propio impacto del chorro y a la rugosidad de la superficie, de tal manera que si este barrillo se deja secar, adquiere tal consistencia que el único método para eliminarlo consiste en volver a chorrear. Por tanto, es de gran importancia que, lo más pronto posible después de chorrear y antes de que el barrillo se seque, se proceda a su eliminación mediante un chorro de agua a alta presión (por encima de 200 bar). c. Una vez chorreado y eliminado el barrillo, la superficie queda completamente mojada, por lo que tiene una gran tendencia a reoxidarse rápidamente. Para evitar o retrasar esta rápida oxidación. pueden utilizarse inhibidores de corrosión incorporados al agua del chorro o de la limpieza posterior, o bien pueden aplicarse pinturas compatibles con superficies húmedas, antes de que éstas sequen completamente. d. La rugosidad superficial obtenida mediante chorro húmedo, especialmente la modalidad de chorreado con agua", acostumbra a ser inferior (a veces Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 213 considerablemente inferior) a la obtenida con chorro seco, lo cual debe tenerse en cuenta de cara a la aplicación de determinados tipos de recubrimientos. El chorro con agua sola a alta presión no confiere rugosidad alguna al acero, que queda con el perfil original. e El abrasivo debe seleccionarse cuidadosamente en cuanto a su granulometría y limpieza. Su contenido en sales solubles puede ser más perjudicial que en el chorro seco por disolverse en el agua de proyección y dejar superficies salobres que requerirán una limpieza posterior más exhaustiva, al tener que eliminar no sólo el barrillo, sino también estas sales. Por otro lado, es importante la ausencia de polvo y partículas excesivamente pequeñas que con el agua podrían producir aglomerados, que son ineficaces de cara a la limpieza y podrían obturar las boquillas. Inhibidores de corrosión en el chorreado húmedo: Los inhibidores de oxidación son productos químicos cuya misión es evitar la reoxidación del acero recién chorreado y húmedo. Pueden utilizarse en la mezcla abrasivo- agua, en el agua de limpieza a presión, o en la de eliminación del barrillo. Los inhibidores normalmente usados son cromatos, nitritos, fosfatos, benzoatos, aminas, etc. Todos ellos son solubles en agua, y su mecanismo de actuación depende de la familia química a la que pertenezcan, aunque básicamente actúan por pasivación química de la superficie, reaccionando con el acero y formando compuestos que protegen al metal base durante un período limitado de tiempo. El problema derivado del empleo de estos compuestos es su permanencia sobre la superficie en el momento de pintar. Rara vez la totalidad del inhibidor empleado reaccionará con el acero, y en la mayoría de los casos quedarán residuos de inhibidor no reaccionado, que pueden actuar en detrimento de la adherencia de la pintura que se aplique encima, e incluso inducir la formación de ampollas por ósmosis. Por este motivo no deben usarse inhibidores en superficies que vayan a estar sumergidas o enterradas. Se podría intentar minimizar el problema a base de incorporar inhibidor sólo al agua de chorreado y eliminar el barrillo con agua sin inhibidor, a fin de eliminar los residuos del mismo, pero entonces no se daría tiempo al inhibidor a reaccionar, con lo que su eficacia sería muy escasa. En conclusión, es preferible utilizar productos alcalinos volátiles, básicamente aminas o derivados que, una vez en contacto con la superficie del acero, alcalinizan su superficie protegiéndola contra la corrosión, y van evaporándose lentamente hasta desaparecer completamente, en cuyo momento el acero vuelve a quedar sensible a la corrosión, pero entonces normalmente ya ha secado y se dispone de un mayor margen de tiempo para la aplicación de la primera capa de pintura. Aunque una superficie se trate con inhibidor no es de esperar que se mantenga en el mismo grado de limpieza al secar. Por tanto el grado inicial de limpieza a conseguir debe ser superior al especificado. Así, un grado similar al Sa 2 ½ puede alcanzarse chorreando al grado Sa3. Imprimaciones tolerantes con la humedad: En el pintado de superficies chorreadas con agua y abrasivo o con agua sola, es aconsejable el empleo de imprimaciones anticorrosivas que toleren cierta humedad residual sobre la superficie, pudiendo en ciertas condiciones obviar el uso de inhibidores con la utilización de estos productos, que suelen ser de naturaleza epoxy. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 214 1.1.4.2 ESPECIFICACIONES PARA LA LIMPIEZA DE SUPERFICIES 1) Especificación del grado de Limpieza superficial (Norma ISO 8501.1) 2) Especificación de la Rugosidad superficial 3) Especificaciones para los equipos de limpieza de superficies 4) Especificaciones para el abrasivo 5) Inhibidores de corrosión 6) Otras consideraciones a tener en cuenta en la preparación de superficies: 1) Especificación del grado de Limpieza superficial (Norma ISO 8501.1) Lo más conveniente es hacer uso de las normas existentes sobre preparación de superficies. La norma más práctica y utilizada en Europa es la ISO 8501.1, en la cual se definen diferentes procedimientos de limpieza superficial, acompañados por unos patrones fotográficos que resultan de gran ayuda si se desea efectuar comprobaciones. En la norma ISO 8501.1 se especifican los siguientes procedimientos de limpieza: - Procedimientos de limpieza manual y mecánica (St): Los grados de limpieza habitualmetne exigidos son St2 y St3. - Procedimientos de limpieza por chorreado abrasivo (Sa). Los grados de limpieza habitualmetne exigidos en el chorreado abrasivo son Sa2, Sa2'/2 y Sa3. - Limpieza a la llama o flameado (Fl). El flameado se utiliza muy poco en la práctica de campo. La definición de los grados de limpieza de superficies usualmente recomendados en las normas ISO y SIS se exponen en la tabla siguiente, en la que también se indican las equivalencias con las normas SSPC (americana) y BS (inglesa). Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 215 Notas: - Cuando el acero ha sido laminado en caliente y se encuentra en estado A o B de la norma ISO 850 1. 1, habrá cascarilla de laminación en el estado A, y cascarilla y herrumbre en el estado B. - El único método eficaz para eliminar la cascarilla de laminación la constituye el chorreado abrasivo. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 216 - Si el acero se encuentra en los estados C o D de la mencionada norma, o bien si se trata de acero laminado en frío que está oxidado, sólo habrá herrumbre. 2) Especificación de la Rugosidad superficial Una cierta rugosidad superficial es conveniente para mejorar la adherencia de la pintura. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que una rugosidad excesiva, además de provocar un consumo extra de pintura, puede provocar un efecto negativo sobre la duración del recubrimiento por quedar los picos y crestas cubiertos con un espesor de pintura insuficiente, causando la aparición de puntos de corrosión prematuros. Cuando se efectúa un chorreado abrasivo, especialmente en seco, la superficie del acero adquiere una cierta rugosidad, normalmente suficiente en condiciones habituales de trabajo para la mayoría de recubrimientos a aplicar. Por tanto, en muchas ocasiones no será necesario especificar la rugosidad a obtener, aunque siempre convendría señalar unos límites máximos y mínimos Sin embargo, ciertos tipos de pinturas como los silicatos ricos en cinc o ciertos recubrimientos epoxy de alto espesor, requieren un grado mínimo de rugosidad, que debe ser especificado. Dado que los parámetros de rugosidad media (Ra ) y rugosidad máxima (Rz) son difíciles de definir e imposibles de medir en la práctica, lo mejor es hacer referencia a patrones visuales y táctiles como el Rugotest Nº 3, el Keane-Tator Comparator o el ISO Comparator, escogiendo el grado de rugosidad indicado para la pintura (por ejemplo grado BN10a del Rugotest Nº3 ) 3) Especificaciones para los equipos de limpieza de superficies Normalmente estos equipos son competencia del aplicador, aunque no está de más incluir en la especificación algunos comentarios, como por ejemplo: - Que los instrumentos manuales o mecánicos (rasquetas, cepillos, muelas, etc.) sean de material antideflagrante si es peligroso que se produzcan chispas en la zona. - Que los compresores utilizados para el chorreado abrasivo sean de potencia y caudal suficientes y vayan provistos de los separadores adecuados de aceite y humedad para evitar que el abrasivo se contamine. - Que en el caso de emplear chorro mixto de agua y abrasivo, el agua sea dulce y no esté contaminada ni sea excesivamente calcárea. En el caso de chorro mixto de agua y abrasivo, especificar el tipo de inhibidor a emplear y en qué proporción. 4) Especificaciones para el abrasivo En cuanto al abrasivo a utilizar, conviene especificar: - Tipo de abrasivo a emplear: arena, escoria de cobre, corindón o granalla metálica esférica o angular (estos dos últimos tipos sólo en instalaciones cerradas con recuperación de granalla). - Granulometría del abrasivo, factor importante a la hora de obtener el grado de rugosidad deseado. - Limpieza del abrasivo, especialmente arena y escoria, debiendo estar libres de polvo y sales solubles, indicando incluso algún ensayo para control. - En el caso de arena, insistir en que debe ser silícea (no admitir la calcárea). - Remarcar que los abrasivos de un sólo uso (arena, escoria, corindón), no deben reutilizarse. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 217 5) Inhibidores de corrosión El acero que ha sido limpiado con chorro abrasivo húmedo o con chorro de agua a alta presión, presenta una oxidación inmediata al secarse a menos que se le añada un inhibidor al agua del chorro. Estos inhibidores se inyectan por lo general en la boquilla de chorreado, o bien se disuelven en el agua de limpieza de restos de abrasivo. Los inhibidores más utilizados son los dicromatos y fósfatos de sodio o de potasio, aunque existen otros compuestos químicos que realizan también esta función. Se mezclan o disuelven bien en agua y retardan la aparición de signos de oxidación hasta la aplicación. de la imprimación. Cuando estas disoluciones secan dejan depositadas las sales que llevan disueltas, originando a veces problemas de adherencia de los sistemas de pintura. Debe comprobarse que el sistema de pintura, y especialmente la imprimación es compatible con el inhibidor que vaya a utilizarse. 6) Otras consideraciones a tener en cuenta en la preparación de superficies: Deben incluirse también las siguientes especificaciones: - Si se usa chorro mixto de agua y abrasivo, debe lavarse la superficie con agua dulce y limpia a presión, inmediatamente después del chorreado, para eliminar el barrillo formado de restos de abrasivo, herrumbre, cascarilla de laminación y polvo, que si se deja secar forma una capa dura y bien adherida al acero, muy difícil de eliminar. Es conveniente indicar si procede añadir inhibidor al agua de lavado, qué tipo de inhibidor y en que proporción. - Retirar el abrasivo utilizado de la zona de trabajo a medida que va avanzando el trabajo. - Responsabilidad de separar e identificar los posibles residuos peligrosos, para su entrega a un gestor de residuos autorizado, especialmente en el caso de la eliminación de un sistema viejo de pintura, donde con toda probabilidad habrá un cierto contenido de plomo. - Elimiación del polvo de la superficie chorreada antes de empezar a pintar. El método más adecuado es mediante el empleo de aspiradores, aunque puede aceptarse también el soplado con aire a presión limpio y seco. - En todos los casos, excepto cuando se utilicen imprimaciones tolerantes con la humedad, debe indicarse que la superficie tiene que estar completamente seca antes de pintar. 1.1.5 Recomendaciones Generales sobre el tipo de pintura a aplicar según el estado inicial del acero y el tratamiento de preparación realizado 1. Si se trata de acero nuevo, en estado A o B, o incluso si está en estado C, en el que pueden repararse todos los defectos mecánicos y chorrearse al grado Sa 2 ½ , se podrá aplicar sobre él cualquier tipo de pintura, incluyendo los silicatos ricos en cinc, que son los productos más delicados en este sentido. En algunos casos excepcionales, como p.ej. en el interior de depósitos en los que haya que almacenar cierto tipo de productos, puede ser necesario chorrear al grado Sa3. 2. Hay que tener en cuenta que ciertos productos, como los silicatos ricos en cinc, requieren un grado de rugosidad mínimo, que se hace constar normalmente en la ficha técnica o en las instrucciones de aplicación. 3. Cuando el acero se encuentra en estado D, es decir, fuertemente oxidado y con picaduras, especíalmente si no se puede chorrear, hay que limitarse a la aplicación de productos que tengan una buena facilidad de humectación y buena adherencia al acero, como los alquídicos largos en aceite, ciertos tipos de clorocauchos modificados y pigmentados con pigmentos adecuados, epoxys de bajo peso molecular y baja viscosidad, pero no es Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 218 recomendable la aplicación de recubrimientos de poca humectación, como p.ej. los epoxys y poliuretanos de muy alto contenido en sólidos y poca fluidez o los silicatos ricos en cinc. 4. En cuanto al grado de preparación de superficies, hay que tener en cuenta que sólo el chorreado abrasivo es capaz de eliminar eficazmente la cascarilla de laminación en superficies de acero en estado A o B. Por lo tanto, si se va a realizar una limpieza de tipo mecánico o manual a los grados St 2 ó St 3, quedarán fragmentos de cascarilla de laminación pegados al acero, que provocarán el fallo prematuro del recubrimiento. Cuando el acero no tiene cascarilla de laminación (estados C o D), no existe este problema, aunque en el acero en estado D quedarán picaduras que no se habrán podido limpiar eficazmente, si no se chorrea con abrasivo fino. 5. Cuando no se puede chorrear y únicamente van a emplearse sistemas manuales o mecánicos de limpieza (cepillado, rascado, lijado, etc.), hay que olvidarse de sistemas a base de capas gruesas o bien de pinturas de poca capacidad de humectación. En estos casos, lo mejor es recurrir a pinturas alquídicas largas en aceite, epoxiésters, clorocauchos modificados o epoxys de baja viscosidad, por lo menos en lo que se refiere a las capas de imprimación en contacto con el acero. ESTADOS INICIALES DEL ACERO Y EFECTOS DE LA LIMPIEZA Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 219 GRADO MÍNIMO DE PREPARACIÓN DE SUPERFICIES PARA DIFERENTES TIPOS DE RECUBRIMIENTOS Las indicaciones anteriores son de tipo general, existiendo en el mercado productos específicos que pueden aplicarse con preparaciones inferiores a las indicadas en el cuadro, como por ejemplo ciertos productos epoxy para mantenimiento o repintado, normalmente pigmentados con aluminio, que pueden aplicarse sobre superficies preparadas al grado St2. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 220 1.2) PREPARACIÓN SECUNDARIA DE SUPERFICIES 1.2.1. Preparación de superficies tras el montaje. En muchos casos, una vez preparado convenientemente el acero ( preparación primaria según el apartado 2.1 visto anteriormente), se aplica un shopprimer o un holding primer, o las capas de imprimación contempladas en el esquema general de pintado, a los diversos elementos de una construcción, que después pasan a la fase de montaje. Durante el montaje se producen soldaduras, quemaduras, daños de la pintura por abrasión o impactos, acumulación de aceite, grasa, suciedad o polvo, corrosiones localizadas, etc., que hay que volver a tratar adecuadamente, siendo esta operación la que se conoce con el nombre de preparación de superficies secundaria. Hay que incluir todos estos pormenores en la especificación de pintado, indicando: - Que hay que eliminar la suciedad, la grasa y el polvo acumulados con detergentes y posterior lavado con agua dulce. - Que hay que limpiar los cordones de soldadura, las quemaduras y las corrosiones localizadas y por qué método (manual, mecánico o chorreado abrasivo). - Que la superficie debe quedar perfectamente limpia y seca antes de empezar a pintar. - Con qué pintura hay que proteger los cordones de soldadura y las zonas corroídas o quemadas una vez limpias, para evitar su reoxidación prematura y cómo hay que aplicarla. - Precauciones a tomar para no dañar el resto de superficies en buen estado ni los posibles motores, bombas, válvulas y otros elementos que pudieran encontrarse en zonas contiguas. Debe hacerse especial hincapié en la eliminación de la grasa, suciedad, sales y contaminantes que se hayan podido depositar sobre la superficie del shopprimer durante la construcción y el montaje, así como en la preparación adecuada por redondeado o aplanado seguido de chorreado abrasivo o cepillado de las soldaduras, quemaduras, proyecciones de soldadura, biselado de cantos y aristas vivas, etc. Una vez realizada la preparación secundaria, se procede a la aplicación completa del esquema de pintado si se ha usado un shopprimer o un holding primer, o el resto del esquema si se han aplicado previamente las capas de imprimación. En la mayoría de ocasiones el sistema final de pintura se aplica directamente sobre la superficie del shopprimer convenientemente limpia y preparada, pero para ciertos tipos de pinturas (p. ej. silicatos de cinc), debe eliminarse el shopprimer chorreando de nuevo la superficie. Cuando se evalúa el grado de limpieza de una superficie chorreada que había estado recubierta de shopprimer y se compara con los patrones de la norma ISO 8501-1, debe tenerse en cuenta que el shopprimer, sobre todo si estaba pigmentado con óxido de hierro rojo, deja un tinte en el acero que es imposible de eliminar y que es completamente aceptable, siempre que se trate de sombras y no de partículas de shopprimer. En general es más difícil eliminar el shopprimer que la calamina o la herrumbre, por lo que el chorreado de superficies shopprimadas suele ser una operación lenta y costosa. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 221 1.2.2. Preparación de superficies previamente pintadas en operaciones de mantenimiento. Lo usual es efectuar una limpieza general por los procedimientos descritos, seguida de una preparación de las zonas oxidadas y/o con pintura en mal estado, según la siguiente secuencia, resultando válidas todas las observaciones y comentarios realizados al tratar de acero no pintado. - Desengrasado con detergentes y lavado con agua dulce de toda la superficie, si se va a pintar entera, o de las zonas a pintar si únicamente se van a tratar las áreas en mal estado. - Eliminación de la pintura en mal estado o medio desprendida, así como limpieza de las superficies de acero corroídas, por medios mecánicos (cepillado, rascado, etc.) o chorreado abrasivo en seco o húmedo, teniendo en cuenta todas las consideraciones hechas anteriormente para estas operaciones. - Biselado de los bordes de la pintura en buen estado para facilitar la adherencia y evitar cambios bruscos de nivel. - En ocasiones puede ser necesario matar el brillo o dar cierta rugosidad a la pintura en buen estado para garantizar la adherencia de las capas de pintura que se apliquen encima. Ello puede conseguirse por lijado manual o mecánico con herramientas neumáticas, o bien por chorreado abrasivo ligero, a baja presión y con abrasivo fino, en seco o en húmedo, operación a veces más rápida que el lijado. - En general, no se recomienda eliminar la pintura en buen estado, pero si se debe hacer, el único medio eficaz para superficies medianas o grandes es el chorreado abrasivo, aunque la operación es lenta y difícil, especialmente en el caso de gruesas capas de pinturas de gran dureza y tenacidad (p. ej. epoxy), debiendo emplearse presión elevada y abrasivo muy duro y de partícula gruesa. El empleo de quitapinturas o decapantes de acción química queda restringido a superficies pequeñas y en el caso de las pinturas de alta resistencia química (epoxy y poliuretano), pueden ser ineficaces o requerir varias aplicaciones sucesivas. Después del empleo de un quitapintura o un decapante químico debe limpiarse a fondo la superficie con agua dulce para eliminar los residuos del producto empleado. 2) PINTURA Es preciso concretar los siguientes puntos: 1. Tipo de pintura y capas se han de aplicar 2. Espesor de película seca de cada capa. 3. Espesor total del esquema o sistema. 4. Medios de aplicación 5. Especificaciones para la aplicación de la aplicación del sistema de pintura Los puntos anteriores se abordan en los siguientes apartados: 2.1) SISTEMAS DE PINTURA: CONCEPTOS BÁSICOS 2.2) ELECCIÓN DEL TIPO DE PINTURA 2.3) COMPATIBILIDAD DE LAS PINTURAS UTILIZADAS EN DISTINTAS CAPAS 2.4) ESPESOR DE LAS CAPAS. 2.5) CADENCIA DE APLICACIÓN DE LAS SUCESIVAS CAPAS 2.6) ESPECIFICACIONES PARA LA APLICACIÓN DEL SISTEMA DE PINTURAS 2.7) MEDIOS DE APLICACIÓN. ESPECIFICACIONES. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 222 2.1) SISTEMAS DE PINTURA: CONCEPTOS BÁSICOS Se habla de sistema de pintura porque generalmente no suele emplearse una sola capa de pintura para conseguir la protección eficaz del acero contra la corrosión, sino varias capas y de distinta composición. La definición del sistema de pintura consistirá en indicar las capas a aplicar, indicando su naturaleza, espesor, medios de aplicación y otros aspectos complementarios Un sistema de pintura suele estar formado por pinturas de una misma familia química (alquídicas, epoxi, etc) pero con distinta estructura o composición de su fórmula, según vaya a ser el papel que ha de jugar cada capa para que el conjunto del sistema sea lo más eficaz y duradero posible. El sistema también puede ser mixto, para combinar las mejores propiedades de cada tipo de ligante en unas capas u otras. En general, un sistema de pintura está constituido por las siguientes capas: 1. Imprimación (“primer”) 2. Capas intermedias o de fondo 3. Capas de acabado, denominadas a menudo terminaciones o esmaltes. 1. Imprimación ( “primer”) La imprimación es una capa de bajo espesor, en contacto directo con la superficie metálica cuyas funciones principales son las de asegurar una buena adherencia entre la pintura intermedia y el substrato que se desea proteger y retardar la corrosión de éste. Por tanto, la pintura de impirmación posee una importancia primordial dentro del sistema de pintura con vistas a que se cumpla la función de protección del metal. 2. Capas intermedias. Cuando se aplican, pues no siempre es necesario, poseen altas relaciones pigmento/vehículo. Sus misiones principales son las de adherirse fuertemente a la capa de imprimación, dotar de espesor al sistema y suministrar una buena superficie para su unión con la pintura de acabado. No es necesario que sean particularmente resistentes al medio ambiente en que va a estar expuesto el sistema. 3. Capas de acabado. La pintura de acabado debe tener como característica fundamental la de poseer una excelente reistencia al ambiente exterior. Desde un punto de vista decorativo es deseable que sus propiedades de retención del color y brillo se conserven el mayor tiempo posible. El uso de diferentes colores para cada capa permite hacer un fácil seguimiento visual del progreso de la aplicación de cada una de ellas. 2.2) ELECCIÓN DEL TIPO DE PINTURA Los factores principales a considerar para la elección del tipo de recubrimiento o pintura a utilizar son los siguientes: 1) El ambiente 2) La durabilidad esperada 3) Las posibilidades de mantenimiento posterior 4) El coste global Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 223 1) El AMBIENTE La necesidad de protección de una superficie de acero está en función directa de la agresividad del ambiente a que va a estar expuesta. Consideramos los siguientes casos: 1.a) Estructuras en ambientes atmosféricos 1.b) Estructuras en inmersión o enterradas 1.a) Estructuras en ambientes atmosféricos Desde el punto de vista de su agresividad, los ambientes atmosféricos se pueden clasificar como: a) Ambientes suaves. Son los de muy baja agresividad. Como ejemplos pueden citarse todos los interiores de naves de almacenes o naves industriales sin vapores de productos químicos agresivos, zonas rurales con baja o nula contaminación atmosférica y/o baja humedad, etc. b) Ambientes medios. Son aquellos que muestran una agresividad moderada frente al acero. Pueden incluirse aquí los interiores de naves con condensaciones de humedad, las zonas rurales próximas a la costa o con muy alta humedad y las zonas urbanas sin polución industrial añadida, en ciudades de tipo medio lejos de la costa. c) Ambientes agresivos. Son aquellos considerados francamente agresivos para el acero por su contenido en humedad y productos contaminantes, como por ejemplo el interior de naves industriales con elevada humedad y emanación de vapores corrosivos, zonas costeras de cualquier naturaleza, ciudades grandes fuertemente polucionadas y/o situadas en zonas costeras y zonas industriales en general. d) Ambientes muy agresivos. Son aquellos que provocan una rápida e intensa corrosión del acero, como por ejemplo las zonas industriales que tienen industrias que emiten emanaciones de tipo ácido y las que se encuentran en zonas costeras donde se conjugan la corrosión del ambiente marino con la producida por la contaminación industrial. En la norma ISO 12944-2, se clasifican los ambientes atmosféricos en 6 categorías según la corrosión sufrida por la probetas mencionadas antes. Y establece ademas, 3 categorías para las sumergidas o enterradas. Las categorías que cita la norma ISO 12944-2, para la corrosividad atmosférica son: Categoría Corrosividad Muy baja C1 Baja C2 Media C3 Alta C4 Muy alta (Industrial) C5-I Muy alta (Marino) C5-M Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 224 En el cuadro siguiente se ofrece una orientación general sobre la idoneidad del uso de los tipos más comunes de sistemas de pinturas para la protección del acero estructural en los diferentes ambientes atmosféricos. Se ha excluído de esta tabla la categoría C1, pues por su muy baja corrosividad importan más las prestaciones estéticas de las pinturas que su protección anticorrosiva. IDONEIDAD DE DIFERENTES TIPOS DE PINTURAS A LOS AMBIENTES AGRESIVOS En el cuadro anterior se ha de entender: A: Adecuado, (A): Adecuado, con reservas, NR No recomendable, No aplicable Más adelante se amplia esta información con unas tablas en las que se califican comparativamente algunos de los esquemas de pintado más típicos y su durabilidad en diferentes condiciones. Las pinturas bituminosas y las de brea-epoxy tienen una marcada tendencia a degradarse por la radiación ultravioleta de la luz, por lo que acostumbran a aplicarse únicamente en inmersión o en estructuras enterradas, mientras que los silicatos de cinc acostumbran a emplearse siempre recubiertos por su sensibilidad a los productos ácidos y alcalinos, que los atacan rápida e intensamente. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 225 1.b) Estructuras en inmersión o enterradas La inmersión puede ser en aguas dulces (lagos, ríos, pantanos) o en agua de mar, pero en ambos casos la problemática es similar. La superficie de acero pintada estará en contacto con agua que contiene oxígeno, microorganismos y un cierto contenido en sales de naturaleza diversa. Todo ello hace que el agua natural sea un medio fuertemente corrosivo, especialmente el agua de mar, por su mayor contenido en sales. Para proteger superficies en imnersión acuosa, deben utilizarse únicamente pinturas que reúnan las siguientes características: - Alto grado de impermeabilidad. - Hidrófobas, si es posible. - No degradables químicamente por el agua ni las sales. - Que no contengan substancias hidrosolubles que puedan provocar ampollamientos por ósmosis. Por todo ello quedan automáticarnente descartadas las pinturas alquídicas y de epoxiéster, que son saponíficables en inmersión acuosa, así como todas aquellas imprimaciones que contengan pigmentos inhibidores de la corrosión, todos ellos parcialmente hidrosolubles, y las imprimaciones ricas en cinc, por la reactividad de este metal frente al agua. Por lo tanto, sólo pueden utilizarse en inmersión pinturas de clorocaucho, acrílicas, vinílicas y epoxy pigrnentadas con productos químicamente inertes. Las pinturas que mejor funcionan son las de brea-epoxy y las breas-vinílicas, por el efecto hidrófobo de la brea. El uso de los poliuretanos en inmersión es un punto de controversia, ya que existe diversidad de criterios al respecto. La problemática de las superficies de acero enterradas es muy similar a la inmersión, ya que los terrenos acostumbran a tener un abundante contenido en humedad y sales solubles, siendo en ocasiones ácidos o alcalinos, por lo que se acostumbran a emplear los mismos tipos de recubrimientos que para inmersión. En las estructuras sumergidas en agua o enterradas en el suelo, la corrosión es normalmente local. En la norma ISO 12944-2 se definen tres ambientes diferentes, con sus designaciones numéricas para señalarlos. CATEGORÍAS DE AMBIENTES PARA ESTRUCTURAS SUMERGIDAS O ENTERRADAS 2) LA DURABILIDAD ESPERADA Se entiende por durabilidad del sistema pintado su capacidad de protección anticorrosiva del acero, hasta su primer repintado general de mantenimiento previsto. Para definir este parámetro, es decir para identificar cuando se ha llegado a un punto de deterioro que aconseja realizar un repintado de mantenimiento y reparacion, se acostumbra a usar como referencia la Escala Europea de Grados de Corrosión, tomándose como límites de aceptación los grados Re1 ó Re2. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 226 Existen ensayos de corrosión acelerada, como por ejemplo el de niebla salina, que pueden utilizarse como evaluación de la durabilidad de un esquema o sistema de pintura, pero sólo tienen valor comparativo entre los sistemas que se ensayan simultáneamente, no permitiendo realizar extrapolaciones ni equivalencias en cuanto a la durabilidad en ambientes reales. Por otra parte, el microambiente que se crea en el interior de estas cámaras de ensayo, a menudo no tiene nada que ver con los que suelen encontrarse en la práctica. Es difícil predecir de forma exacta la durabilidad de un trabajo de pintado, pero se suele referirse a ella utilizando tres rangos generales de duración: - Baja: 2 a 5 años - Media: 5 a 15 años - Alta: más de 15 años A veces suelen matizarse estos márgenes generales asignándoles un cierto número de años de duración más concretos, sólamente para indicar de forma orientativa las mejores prestaciones anticorrosivas de unos sistemas respecto a otros que se consideran ligeramente menores o mayores. La durabilidad de un sistema de pintura depende fundamentalrnente de los siguientes factores: - La preparación de superficie La calidad intrínseca de la propia pintura El espesor global aplicado La buena aplicación de las pinturas La agresividad del medio ambiente La preparación de superficie es de primordial importancia en la durabilidad de un sistema de pintado. El grado de limpieza es determinante en este sentido, habiéndose constatado estadísticamente en la práctica que un esquema de pintura de buena calidad aplicado sobre una superficie chorreada al grado Sa2 ½ tiene una duración de 3 a 4 veces superior que si se aplica sobre acero sólo cepillado al grado St3, en las mismas condiciones ambientales. Si se realiza una buena limpieza, p.ej. al grado Sa2 ½ , y la aplicación es correcta en cuanto a espesores, intervalos de repintado, ausencia de poros, etc., entonces la durabilidad de un sistema depende de su propia calidad intrínseca, del espesor al que haya sido aplicado y de la agresividad del medio ambiente. Para dar una idea aproximada de las durabilidades que se pueden esperar de un esquema de pintado, se mencionan a continuación algunos de los más significativos, expuestos en ambientes agresivos, pero no muy agresivos. En condiciones de mayor agresividad, la durabilidad será menor y al revés, será mayor para ambientes más suaves. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 227 DURABILIDAD APROXIMADA DE SISTEMAS TÍPICOS EN AMBIENTES AGRESIVOS DE CATEGORÍA C3 Para mostrar las diferentes prestaciones que puede dar un mismo sistema de pintado en diferentes tipos de ambientes y según sea el grosor de la película seca total aplicada, se muestran las los datos de las tablas siguientes; la primera para un sistema alquídico (en el que incluso se ve la influencia de la preparación de superficie) y la segunda para un sistema epoxi. DURABILIDAD DE UN SISTEMA ALQUÍDICO SEGÚN SU GROSOR Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 228 DURABILIDAD DE UN SISTEMA EPOXI SEGÚN GROSOR E IMPRIMACIÓN En la Parte 5 de la norma ISO 12944, se presentan, como Anexo informativo, unas tablas muy completas, una para cada categoría de los ambientes agresivos definidos anteriormente, C2, C3, C4, C5-l y C5-M, ImI, Im2, Im3, con multitud de combinaciones de sistemas de pinturas que pueden utilizarse en esas circunstancias y con indicación de la durabilidad prevista. 3) POSIBILIDAD DE MANTENIMIENTO POSTERIOR Si la estructura tiene fácil accesibilidad será factible pensar en un mantenimiento periódico posterior. Pueden entonces aplicarse esquemas de durabilidad media, contando con esta posibilidad. Si el acceso a la estructura a proteger es de difícil acceso, lo aconsejable es recurrir a sistemas de elevada durabilidad, que no precisen mantenimiento durante un largo período de tiempo. 4) EL COSTE GLOBAL El coste suele ser un factor importante a la hora de seleccionar un determinado esquema protector, pero debe tenerse presente que a menudo el factor que menos incide en el coste total es el precio de la pintura. Además, hay que tener en cuenta que por lo que hace referencia al precio de la pintura, el precio por litro o por kilo de producto no tiene demasiado significado. Lo que importa es el precio por metro cuadrado aplicado a un espesor determinado. El concepto de coste global, debe ser relacionarlo con la duración del sistema de pinturas aplicado, medida en años de servicio útil, por lo que el coste real será el precio por metro cuadrado aplicado dividido por los años de vida útil previstos. A partir del precio por litro de la pintura, puede calcularse fácilmente el precio por metro cuadrado aplicado a un espesor determinado, partiendo del porcentaje de material no volátil de la pintura, dato que acostumbra a figurar en las fichas técnicas de todos los fabricantes. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 229 El coste global de un trabajo de pintado suele estar compuesto por los costes de: 1. Montaje y desmontaje de andamios, si son necesarios 2. Transporte de materiales diversos: elementos estructurales, maquinaria de preparación y aplicación, abrasivo, etc. 3. Coste de la preparación de superficies, incluyendo el coste del abrasivo, si se chorrea. 4. Coste de la aplicación: precio /m2 por capa de pintura, multiplicado por el número total de capas. 5. Coste de la pintura 6. Coste de la inspección, si se contrata un servicio externo 7. Coste de los análisis de recepción de producto, si los hay. 8. Coste inherentes a paradas imprevistas, cambios de programación, etc. 9. Costes de las medidas de protección del medio ambiente, tanto en la preparación ccmo en el pintado. 10. Coste de la disposición de los residuos producidos. 2. 3) COMPATIBILIDAD DE LAS PINTURAS UTILIZADAS EN DISTINTAS CAPAS Puede surgir la pregunta de si se puede aplicar un tipo de pintura sobre otra pintura o imprimación ya existente. Las posibles incompatibilidades entre recubrimienots de pintura son de distinto tipo, así como los efectos adversos a que ellas conducen: ampollamientos, arrugas, levantamientos, sangrado, etc. Por ejemplo, la aplicación de un determinado tipo de pintura puede provocar el levantamiento de la imprimación sobre la que se aplica, ya que los fuertes disolventes de aquella penetran en la película de imprimación y dañan el sistema de pintura. Otro problema relacionado con los disolventes es el “sangrado” que se produce en una pintura que acaba de ser aplicada sobre otra de naturaleza asfáltica. En esta situación de pintado sobre recubrimientos bituminosos se recurre a pintuas con baja solubilidad en disolventes orgánicos o a pinturas de tipo látex. La tabla siguiente muestra las compatibilidades entre los recubrimientos más comúnmente aplicados. La tabla sólo pretende ser una primera indicación y debe ser interpretada con sumo cuidado, debe utilizarse para la realización de trabajos de pintado de pequeña entidad, más que para confeccionar el sistema de protección anticorrosiva de una gran estructura metálica. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 230 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 231 Con el fin de evitar posibles problemas de compatibilidad, la experiencia ha demostrado la validez de los siguientes puntos: 1. 2. 3. 4. Utilizar combinaciones donde no se conozcan limitaciones de compatibilidad. Utilizar pinturas de acabado pertenecientes a la misma familia. Procurar que todas las pinturas del esquema provengan del mismo fabricante de pinturas. Seguir exactamente las condiciones de aplicación que dicta el fabricante de pintura que es sin duda el que mejor conoce las particularidades de sus productos. Si existen dudas acerca de la compatibilidad entre una pintura vieja y una pintura nueva que ha de aplicarse encima, debe realizarse un ensayo previo en una zona acotada de la estructura, a fin de comprobar que la adeherencia es buena, que la pintura nueva no provoca el levantamiento, ampollamiento o arrugamiento de la vieja, y que una vez seca la pintura nueva, el conjunto presenta la debida integridad y adherencia. Si se observa incompatibilidad, no hay más que dos opciones: o bien ensayar otro tipo e pintura para efectuar el pintado hasta dar con una que sea compatible, o bien eliminar la totalidad de la pintura vieja, aunque esté bien adherida y en buen estado, lo cual constituye una operación costosa, siendo el medio más adecuado el chorreado abrasivo. El proceso puede resultar muy lento si la película de pintura a eliminar presenta un cierto grosor y tenacidad. En superficies pequeñas, para eliminar pintura vieja pueden usarse decapantes o quitapinturas, pero es impracticable en grandes estructuras. 2.4) ESPESOR DE LAS CAPAS. El espesor de un recubrimiento orgánico es el parámetro más íntimamente relacionado con el efecto barrera que poseen las pinturas con relación al ambiente en que están expuestas. La penetración (permeabilidad) de humedad u otros agentes agresivos del medio puede reducirse notablemente mediante la aplicación de un recubrimiento con suficiente espesor, y mejor aún si éste ha sido obtenido por la aplicación de capas sucesivas de pintura. Para ejercer con eficacia la acción de barrera física un revestimiento de pintura, su espesro no debiera situarse nunca por debajo de un determinado límite, variable con el tipo de pintura, estado de la superficie, severidad de las condiciones ambientales, tiempo previsto de exposición, etc. En estudios realizados por diferentes investigadores en que se ensayaron gran número de esquemas de pintura ( con diferentes preparaciones de superficie) en diversas atmósferas, se encontraron correlaciones lineales bastante fiables entre la duración de la protección y espesor de la película, como puede apreciarse en la figura siguiente. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 232 VIDA MEDIA DEL RECUBRIMIENTO DE PINTURA EN FUNCIÓN DEL ESPESOR. PINTURAS AL ACEITE Y ALCÍDICAS 2.5) CADENCIA DE APLICACIÓN DE LAS SUCESIVAS CAPAS Un factor importante a tener en cuenta es si todas las capas de pintura se van a aplicar seguidas, o si se va a hacer en épocas diferentes. En muchas ocasiones se aplica una primera capa de imprimación para proteger el acero chorreado contra la corrosión (un shopprimer o un holding primer). Se termina la obra o una parte de la misma y luego se aplica el resto o una parte del esquema de pintado, dejando las capas de acabado para el final. Como ejemplo de ello, en ciertas aplicaciones, las planchas y perfiles se chorrean en una máquina granalladora automática, se les aplica un shopprimer y luego van a los talleres de montaje, donde se cortan y sueldan para construir la estructura. Una vez terminada, se aplica el esquema Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 233 anticorrosivo completo más una capa de antiincrustante, o bien una parte del esquema anticorrosivo, o bien un holding primer y se bota. Posteriormente se sigue construyendo el resto de la estructura, se van imprimando las zonas construídas v cuando se termina todo el conjunto se aplican las capas de acabado. En otros casos, como en la construcción de estructuras, depósitos, tuberías, grúas, etc., se van construyendo elementos parciales que luego se ensamblarán para obtener la estructura final. Estos elementos se chorrean y pintan con una parte del esquema a medida que se van construyendo, luego se ensamblan y al final, después de los retoques pertinentes en soldaduras, daños, ete. se aplican las capas de acabado. En ocasiones los elementos se construyen, se chorrean y se impriman en uno o varios países, y luego se montan y se efectúa el pintado final en otro país. Incluso en los casos en que hay que pintar una obra completamente terminada, como por ejemplo un gran depósito, es necesario ir protegiendo las zonas que se chorrean cada día con un shopprirner, un holding primer o la primera capa de imprimación del esquema final, aplicando el resto cuando se ha terminado todo el trabajo de preparación de superficies. Todas estas particularidades, en cuanto a tiempos de aplicación y de espera, que podríamos llamar cadencia del pintado, hay que tenerlas en cuenta en la selección de las pinturas a emplear, especialmente por lo que hace referencia a los intervalos máximos de repintado. Las pinturas de secado físico (clorocauchos, acrílicas, vinílicas) no tienen intervalos máximos de repintado, por lo que no acostumbran a presentar problemas en este sentido, pero los recubrimientos de curado químico, como los epoxy y poliuretanos, sí acostumbran a tener intervalos máximos, transcurridos los cuales puede haber problemas de adherencia entre capas. Por ello, en los casos en que se vayan a producir lapsos importantes de tiempo en la aplicación de las sucesivas capas de un esquema, hay que seleccionar pinturas que tengan un intervalo máximo de repintado suficientemente largo. 2.6) ESPECIFICACIONES PARA LA APLICACIÓN DEL SISTEMA DE PINTURAS Los puntos de mayor importancia que se deben espeficar en relación a la aplicación del sistema de pintura son los siguientes: 1. El espesor de película seca, al cual se le aplica el calificativo de "nominal" , es decir, es el grosor a conseguir en la realidad, aunque como dato orientativo para el aplicador y el inspector puede incluirse el espesor en "húmedo" o espesor de película recién aplicada. Este dato puede calcularse fácilmente a partir del porcentaje de materia no volátil en volumen presente en la pintura, que siempre debe proporcionar el fabricante de la pintura. 2. Espesor total de película seca del esquema completo, indicando las tolerancias. Una regla que se acostumbra a emplear es la denominada "80-20". Ello significa que: - La media aritmética de las mediciones efectuadas en el área de control es igual o superior al espesor seco especificado. - Como máximo, el 20% de las mediciones está por debajo del espesor seco especificado, pero ninguna por debajo del 80% del espesor seco especificado. 3. Intervalos de repintado máximos y mínimos para cada capa de pintura, referidos a una temperatura determinada. 4. Indicar qué hacer si se sobrepasa el intervalo máximo de repintado. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 234 5. Diluyentes a utilizar en cada pintura y porcentaje máximo de dilución admitido, prohibiendo el uso de otros diluyentes que los recomendados por el fabricante. 6. Tiempo de secado que precisa el esquema de pintura una vez finalizada la aplicación, para desarrollar la totalidad de sus propiedades. En el caso de pinturas que forman película por reacción química y que por tanto desarrollan un proceso de curado químico después de la aplicación, es importante indicar cual es el tiempo de curado necesario para que el producto desarrolle todas sus propiedades, así como si existe una temperatura mínima de curado. Dado que el tiempo de curado depende de la temperatura, es muy conveniente incluir en la especificación una tabla de tiempos de curado en relación a la temperatura, dato que muchos fabricantes dan para sus productos en las fichas técnicas correspondientes. Es particularmente importante especificar el tiempo mínimo de puesta en servicio del recubrinriento en función de la temperatura, en el caso de superficies en inmersión, interior de depósitos y tuberías, etc. 7. También debe especificarse si hay que hacer alguna operación previa a la puesta en servicio del recubrimiento, como en el caso de depósitos para productos alimenticios (p.ej. agua potable), que deben lavarse repetidas veces con agua dulce previamente a la puesta en servicio. 8. En ciertos casos puede ser necesario especificar alguna operación de calentamiento (insuflación de aire caliente, llenado del depósito con líquido caliente, etc.) como p.ej. si se aplican recubrimientos epoxy-novolac para depósitos que deban contener productos muy agresivos, especialmente de naturaleza ácida. Ello debe hacerse constar en la especificación. 9. Si así se considera conveniente, pueden también especificarse las características que se le exigen a la película seca del sistema de pinturas aplicado en la obra: - Espesor total (debe especificarse siempre). Adherencia. Dureza. Color. Resistencia a la abrasión. No existencia de poros. En este caso debe indicarse claramente cuáles son los valores de cada uno de los parámetros, las tolerancias admitidas y la designación de quién va a realizar las comprobaciones, así como las normas de ensayo o instrumentos a utilizar.. La principal fuente de información para elaborar la mayoría de las especificaciones anteriores es seguir lo más escrupulosamente posible las indicaciones que marque el fabricante de las pinturas que componen el sistema. Él es sin duda quien mejor conoce las condiciones en que se deben aplicar sus productos. Especificaciones sobre los Medios de Aplicación Una vez seleccionado el tipo de recubrimiento o pintura a emplear en función de los puntos anteriores, deben tenerse en cuenta los medios de aplicación que se van a utilizar en la obra. Normalmente, todos los aplicadores industriales poseen los métodos más usuales de aplicación; sin embargo, ciertos productos, como por ejemplo algunos recubrimientos de tipo epoxy de muy alto Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 235 espesor y elevada viscosidad, pueden requerir equipos especiales. Hay que tener presente este particular a la hora de seleccionar el esquema de pintado a aplicar. Si no se puede disponer de los equipos especiales de aplicación, es preferible recurrir a otros tipos de pintura. Es conveniente realizar especificar los siguientes puntos en relación a la aplicación de las pinturas: a. Equipos a emplear: brocha, rodillo, equipos aerográficos, sin aire, electrostáticos, air-mix, etc. Debe hacerse hincapié en cual es el tipo de equipo más aconsejable y qué alternativas pueden aceptarse. b. En ciertos tipos de pinturas con pigmentos de gran densidad (p.ej. silicatos de cinc), debe indicarse que el calderín que contiene la pintura tiene que ir equipado con un agitador preferiblemente alternativo (oscilante), para mantener el pigmento en suspensión y evitar su centrifugación (caso de agitador continuo). c. Cuando se emplean equipos de pulverización sin aire, es conveniente exigir el uso de boquillas reversibles que puedan ser desatascadas de forma imnediata. d. En cuanto a las boquillas de equipos sin aire, debe exigirse que sean relativamente nuevas, ya que su diámetro y forma de abanico se ven modificadas por el uso con relativa rapidez. e. Debe también especificarse el tratamiento a dar a la pintura antes de la aplicación: observación de ausencia de defectos tales como pieles, grumos, sedimentos, etc., homogeneización con agitador neumático o eléctrico, mezcla de los componentes en el caso de pinturas de 2 o más componentes, en el orden y forma indicados por el fabricante. Tiempos de inducción a observar, si es necesario. f. Filtración del producto por los tamices indicados por el fabricante, si es necesario. h. Debe indicarse que no se acepta la práctica, por otra parte muy extendida, de efectuar la homogeneización y las mezclas de forma manual con un palo o similar, así como que no se acepta la subdivisión de envases en productos de dos componentes. i. Debe también indicarse el microclima exigido para la aplicación: temperaturas máxima y mínima del sustrato, del ambiente y de la propia pintura, así como la humedad relativa máxima o mínima. En este apartado debe señalarse específicamente que la temperatura del sustrato debe estar como mínimo unos 3 ºC por encima del punto de rocío, a fin de evitar condensaciones. j. Un punto importante a incluir también en la especificación, en el caso del pintado de recintos interiores, depósitos, contenedores, etc., es el caudal de ventilación necesario para mantener los vapores de disolventes por debajo de los límites requeridos por las legislaciones relativas a seguridad e higiene. Incluso cuando se aplican productos al agua, debe darse el caudal de extracción, a fin de mantener el vapor de agua en el interior del recinto en niveles suficientemente bajos para permitir la correcta evaporación de todo el agua y el perfecto secaje y fórmación de película de la pintura. k. Debe indicarse que los extractores deben actuar a nivel del suelo, ya que tanto los vapores de los disolventes como el del agua son más densos que el aire y se depositan en el fondo. Debe indicarse que la entrada de aire limpio debe realizarse por la parte superior del recinto. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 236 l. En cuanto a la iluminación, debe exigirse que sea suficiente en caso de pintar de noche o en recintos cerrados sin iluminación. En este último caso debe indicarse que la iluminación debe ser antidefiagrante en el caso de aplicar pinturas con disolvente. m. Aunque los andamiajes son responsabilidad del aplicador, debe exigirse que sean suficientes como para garantizar la continuidad del trabajo, sin interrupciones. n. Es importante también exigir que el personal que vaya a llevar a cabo la preparación de superficies y la aplicación de la pintura (normalmente de la rnisma empresa), esté suficientemente capacitado y experimentado para realizar un trabajo de calidad, dentro de los niveles exigidos por la especificación y demás literatura técnica como las fichas técnicas y las instrucciones de aplicación del fabricante, que deben considerarse en todo caso como anexos integrantes de la especificación, pero con el mismo grado de obligación de cumplimiento. ñ. En todo caso debe indicarse que el aplicador debe cumplir todas las normas correspondientes para la Seguridad e Higiene en las operaciones de los trabajos de preparación y pintado. o. Así mismo debe indicarse que el aplicador debe ser respetuoso con el medio ambiente y cumplir las normativas legales sobre residuos peligrosos y emisiones al aire o al agua, vigentes en la localidad de que se trate. ANEXO: PIGMENTOS INHIBIDORES Los pigmentos inhibidores más utilizados se agrupan las siguientes familias: 1) Pigmentos de plomo 2) Pigmentos a base de cromatos 3) Pigmentos a base de molibdatos 4) Pigmentos a base de boratos 5) Pigmentos a base de fosfatos 6) Otros pigmentos inhibidores 1) PIGMENTOS DE PLOMO Existen varios tipos de pigmentos inhibidores basados en compuestos de Pb: Óxidos de Pb, silico-cromato básico de Pb, Silicato básico de Pb, etc., siendo el Minio el más conocido y utilizado.. El Minio de plomo es Pb3O4 (2PbO.PbO2), de color anaranjado, ha sido usado desde muy antiguo por los egipcios, griegos y romanos como pigmento protector (de la degradación de 1a madera). Se ha utilizado masivamente como único pigmento inhibidor de la corrosión hasta hace unas décadas. Su mecanismo de actuación, no del todo bien conocido, se fundamenta en su basicidad. Reacciona con los ácidos grasos de los aceites secantes formando jabones de plomo y también con los subproductos de descomposición ácida, creando un ambiente alcalino que inhibe las reacciones de corrosión. Una teoría moderna sugiere que los iones Fe++ penetran por la estructura tubular de los cristales de minio, donde son intercambiados por iones Pb++, que una vez en el medio precipitan los aniones Clo SO42- con lo que desactiva estos poderosos promotores de corrosión. Es un excelente pigmento inhibidor, que permite fabricar imprimaciones, principalmente alquídicas, de gran poder anticorrosivo. Actualmente se va abandonando su uso debido a la toxicidad del plomo, que va originando restricciones y prohibiciones legislativas para su uso. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 237 2) PIGMENTOS ANTICORROSIVOS A BASE DE CROMATOS Por su carácter oxidante, los cromatos actúan por pasivación del ánodo por encima de un umbral de concentración que depende del pH y de la presencia de otros iones. El Cr hexavalente se reduce a Cr trivalente y la capa firmemente adherente que se deposita sobre el ánodo consiste en óxidos mixtos férricos y crómicos. Los principales pigmentos inhibidores dentro del grupo de los cromatos son: - Cromato de zinc y potasio. MnCrO4⋅⋅K2CrO⋅Zn(OH)2⋅H2O. Color amarillo. Este producto se conoce comercialmente como "cromato de zinc", aunque es un cromato básico de zinc y de potasio. Su uso está ahora en declive, como todos los compuestos solubles de cromo hexavalente, por su toxicidad. - Cromato de estroncio. SrCrO4.Color amarillo. Por su solubilidad algo más baja que la del cromato de zinc y potasio, el cromato de estroncio es adecuado para sistemas acuosos y también para sistemas altamente reticulados en los que se desea controlar la posibilidad de ampollado o dilatar en el tiempo la disponibilidad de ión cromato. Ejemplos típicos de ambas aplicaciones son los revestimientos donde el substrato es aluminio o sus aleaciones, y los recubrimientos de bandas continuas prelacadas (coil coating) donde el substrato puede ser acero, acero galvanizado o bien aleaciones de aluminio y zinc. Desgraciadamente el mismo ritmo de solubilización que lo hace tan buen anticorrosivo lo convierte al mismo tiempo en el más tóxico de los compuestos de cromo hexavalente. - Tetraoxicrornato de zinc. ZnCrO4 ⋅4Zn(OH)2.Color amarillo. Se le conoce a veces como "cromato de zinc insoluble". Se utiliza casi exclusivamente para las llamadas "imprimaciones fosfatantes" (conocidas en la industria como wash primers) que se formulan con gran exceso de ácido fosfórico y se aplican en capas muy finas (5 - 12 micras) solamente para dar anclaje a las capas posteriores de pintura. - Cromato de bario. BaCrO4.Color amarillo. Por su solubilidad extremadamente baja no se le suele incluir entre los pigmentos anticorrosivos. Ahora bien, en la práctica sí tiene comportamiento anticorrosivo en determinadas condiciones y ha sido utilizado en imprimaciones de base acuosa, así como para wash primers. Posiblemente también a causa de su muy baja solubilidad no se han encontrado indicios de actividad tóxica, pero las legislaciones actuales no contemplan diferencias entre distintos compuestos de cromo hexavalente o de bario (aparte del sulfato de bario). 3) PIGMENTOS ANTICORROSIVOS A BASE DE MOLIBDATOS A diferencia de los cromatos, los molibdatos no son en sí mismos oxidantes. En una primera fase los iones molibdato se adsorben sobre el ánodo y forman complejos con los iones Fe++. Estos complejos necesitan del oxígeno del aire para que se produzca la oxidación a Fe3+ en cuyo momento los complejos se vuelven insolubles asegurando la protección. Por esta razón los molibdatos son especialmente adecuados en sistemas de secado al aire en que la entrada de oxígeno esté facilitada por pigmentaciones relativamente elevadas y debajo de acabados relativamente permeables. Los principales pigmentos inhibidores dentro del grupo de los molibdatos son: - Molibdato básico de zinc. Color blanco. Además de la protección según el mecanismo descrito antes, se considera que puede proteger también por formación de jabones de Zn con los ácidos grasos de los ligantes alquídicos. En contrapartida tiene limitaciones de uso cuando existe incompatibilidad con iones divalentes como el Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 238 Zn++, como es el caso de muchas imprimaciones acuosas y resinas con índice de acidez elevado. El mayor freno para su uso ha sido su elevado coste en comparación con cualquier otro pigmento anticorrosívo. - Molibdato básico de zinc y calcio. Color blanco. Su bajo peso específico indica que este pigmento contiene algo más que el compuesto molibdato básico de zinc y calcio. En realidad se trata de una nueva versión de la idea de una capa activa de anticorrosivo alrededor de un núcleo inerte central, en este caso el carbonato de calcio. Se ha buscado así abaratarlo para hacerlo más comercial. En la práctica, y siempre en EEUU se usa preferentemente en sistemas acuosos. 4) PIGMIENTOS ANTICORROSIVOS A BASE DE BORATOS Al igual que los molibdatos, los boratos se desarrollaron y tienen más uso en los Estados Unidos. Los principales compuestos utilizados son: - Metaborato de bario. BaB2O4.H2O. Color blanco. Es el producto más conocido de esta familia, modificado con un revestimiento de sílice para disminuir su excesiva solubilidad. Esta solubilidad es un problema práctico de los boratos, ya que además de inducir a la formación de ampollamientos, puede también dificultar la adherencia entre capas. Por esto suele recomendarse el empleo de este tipo de pigmentos sólo para aplicaciones monocapa o bien en sistemas de los denominados "defensa en profundidad" donde todas las capas contienen pigmento anticorrosivo. Si bien cumple con el moderno requisito de ser "libre de plomo y de cromo", por tratarse de una sal de bario soluble, este pigmento no se encuentra del todo libre de toxicidad. Recientemente se ha introducido el uso de borato de zinc, aunque no sólo sino como refuerzo al fosfato de zinc. 5) PIGMENTOS AMTCORROSIVOS A BASE DE FOSFATOS Mientras en EEUU la sustitución de los pigmentos anticorrosivos a base de plomo y de cromatos se abordaba por el camino de los molibdatos y los boratos, junto con productos de aplicaciones específicas como los fosfo-silicatos y los boro-silicatos, en Europa se han utilizdo más en la línea de los fosfatos. - Fosfato de cromo. CrPO4.3H2O. Color verde. Pigmento de popularidad limitada, se usa de forma casi exclusiva para wash primers de un solo componente, en que la cantidad de ácido fosfórico es menor y se necesita un pigmento menos reactivo que el tetraoxicromato de zinc. Forma en el ánodo fósfatos complejos de cromo y hierro. Al estar libre de iones divalentes es muy estable en medio alcalino, por lo que resulta apropiado para estructuras dotadas de protección catódica mediante corriente impresa. - Fosfatos De Zinc. El fosfato de zinc y sus modificaciones constituyen el grupo de pigmentos anticorrosivos en más creciente uso. A escala mundial, su volumen de utilización rebasa ya al de los cromatos. Su uso se inició en el Reino Unido en los años 50 y, a pesar de un cierto escepticismo inicial, por su baja solubilidad, ha ido ganando aceptación por los resultados reales de exposición a la intemperie en ambientes moderadamente industriales, en los que su resultado a largo plazo es tan bueno o mejor que el de los cromatos. En los ensayos acelerados de corrosión en la cámara de niebla salina suelen mostrar resultados muy descorazonadores. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 239 Como explicación al efecto protector de los fósfatos de zinc en las condiciones de uso apropiadas, se apunta la formación de fósfatos complejos de cinc y de hierro en el ánodo, y más recientemente la precipitación de hidróxido de zinc sobre el cátodo. - Fosfato de zinc (clásico). Zn3(PO4)2.xH2O (x = 2-4). Color blanco. El pigmento que llamamos "clásico" está constituido por partículas relativamente grandes (hasta 20 micras en su dimensión máxima) y de forma laminar. Proporciona un buen comportamiento a la intemperie en ambientes no marinos moderadamente agresivos y con espesores de capa relativamente elevados. En ambientes más agresivos, en capas inferiores a las 50 micras y cuando sea necesario superar ensayos acelerados, es mejor recurrir a alguno de los productos modificados más modernos. - Fosfato de zinc (esférico). Misma fórmula y color que el anterior. Un procedimiento de fabricación patentado permite obtener el fosfato de zinc en laminillas mucho más pequeñas que el pigmento clásico, que se presentan antes de la dispersión agrupadas formando esferas de 1-3 micras de diámetro. El ritmo de solubilización del fósfáto de zinc "esférico" es lo suficientemente más rápido que el del "clásico" como para mejorar claramente su comportamiento frente a los ensayos acelerados de corrosión. - Fosfato de zinc básico. Zn(OH)2.Zn3 (PO4)2.xH20. Color blanco. Este pigmento tiene también la partícula más pequeña y esférica que el fosfato de zinc clásico. Además de la modificación de tipo básico (exceso de ZnO), este producto comercial está también modificado con un tratamiento de superficie orgánico que mejora el grado de integración entre el pigmento y el ligante. - Fosfo-molibdato de zinc. Color blanco. Existen diversos tipos en el mercado, todos coinciden en un contenido en molibdato de zinc relativamente modesto (1-2%) aunque suficiente como para que el efecto del ión molibdato refuerce y acelere considerablemente la acción del fosfato, especialmente en presencia de iones agresivos, como por ejemplo los cloruros. - Fosfato de zinc y aluminio. Color blanco. Este pigmento tiene también un tamaño de partícula inferior al del fosfato de zinc clásico, y su razón de ser estriba en la mayor presencia de ión fosfato, con solubilidad aumentada. - Trifosfato de aluminio. Este producto, de origen japonés, parece ser que en realidad consiste en un fosfato de zinc modificado con trifosfato de aluminio, que tiene carácter ácido, probablemente con la intención de facilitar la solubilización del fosfato de zinc en la película de pintura. - Fosfatos de hierro y de zinc. Color beige. Es otro producto de partícula pequeña desarrollado en España, tiene un excelente comportamiento en diversidad de ligantes. Es de destacar la muy baja solubilidad y la excelente adherencia que proporciona sobre metales no férreos. - Fosfito básico de zinc. (2Zn(OH)2ZnHPO3).x.ZnO. Color blanco. No se ha incluido este producto (de uso prácticamente limitado a EEUU) entre los fosfatos de zinc modificados por estar basado en ácido fosforoso. Se cree que la acción inhibidora se basa en la formación de fosfitos y fosfatos en el ánodo, así como también en la formación de jabones de Zn. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 240 6) OTROS PIGMENTOS UTILIZADOS EN IMPRIMACIONES ANTICORROSIVAS - Ferritas El mecanismo de protección se supone relacionado con la formación de jabones metálicos con el ligante y la formación de condiciones localmente alcalinas por formación de hidróxidos de Ca o de Zn. - Tannatos Aunque se usan en sistemas de conversión de óxido eficaces a corto plazo, o como base para una ulterior aplicación de una verdadera imprimación anticorrosiva, no pueden considerarse pigmentos en el verdadero sentido de esta palabra, debido a su carácter totalmente soluble. En realidad se trata más bien de un ligante encargado de formar película con los óxidos formados en la reacción de conversión en medio fosfórico. - Polvo de zinc. Zn. Color gris claro. El cinc en polvo es el producto ideal para proteger al acero mediante sacrificio. Por una parte, está más arriba que el hierro en la escala electroquímica y por otra, el óxido de zinc que se forma en la superficie de las partículas de zinc es lo suficientemente conductor como para permitir el contacto eléctrico necesario para que la protección catódica se mantenga. Si bien la protección por sacrificio es la que se da efectivamente en los primeros tiempos de servicio del revestimiento, con el tiempo los huecos entre partículas de zinc metálico se van llenando con los productos de oxidación del mismo zinc (óxidos e hidróxidos) y llega a formarse una auténtica barrera al paso del agua y el oxígeno. Por la importancia que tienen las imprimaciones ricas en zinc en sistemas de protección anticorrosiva en condiciones de gran agresividad o que precisan una muy larga duración, se le dedica un capítulo aparte. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 241 2.3.2 RECUBRIMIENTOS METÁLICOS Se consideran los siguientes apartados: 2.3.2.1. PRINCIPIOS GENERALES 2.3.2.2. RECUBRIMIENTOS DE Zn . GALVANIZADO 2.3.2.3. RECUBRIMIENTOS DE Sn 2.3.2.4. RECUBRIMIENTOS DE ALUMINIO 2.3.2.5. RECUBRIMIENTOS DE CADMIO 2.3.2.1. PRINCIPIOS GENERALES - RECUBRIMIENTOS ANÓDICOS Y CATÓDICOS CAMPO DE APLICACIÓN DE LOS RECUBRIMIENTOS PROCEDIMIENTOS PARA OBTENER UN RECUBRIMIENTO METÁLICO. RECUBIMIENTOS METÁLICOS PARA LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO Y CONDUCCIÓN DE AGUA RECUBRIMIENTOS ANÓDICOS Y CATÓDICOS Los recubrimientos metálicos se pueden clasificar de forma general segun su potencial redox relativo al del metal que van a proteger, resultando así dos tipos de recubrimientos: 1) Recubrimientos anódicos (recubrimientos con metales de sacrificio) 2) Recubrimientos catódicos recubrimientos con metales nobles) Así, en el caso del hierro. los recubrimientos de cinc, cadmio y aluminio son anodicos; los recubrimientos de plomo, estaño, níquel, cobre, plata, oro, rodio y platino son catódicos. Se procura que los revestimientos sean lo más estancos posibles. Si aparece una discontinuidad en los mismos, el hecho de que el recubrimiento sea anódico o catódico marcará una importante diferencia en la protección como se explica posteriormente. 1) Recubrimientos anódicos (recubrimientos con metales de sacrificio) Para el caso del acero son recubrimientos de sacrificio el Zn, Cd, y en ciertos medios también el Al y Sn. En el caso de un recubrimiento de cinc por ejemplo, el hierro constituye el cátodo de la pila, siendo atacado el cinc. Puesto que el cinc es menos noble que el hierro (tiene más tendencia a ceder electrones), el cinc perderá electrones oxidándose y el hierro estará protegido, no existiendo peligro de corrosión del hierro aunque el recubrimiento no sea perfectamente cotinuo. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 242 Cuando utilizamos este tipo de revestimientos no existe peligro de corrosión del hierro aunque el recubrimiento no sea perfectamente continuo; es decir, los recubrimientos catódicos siguen conservando su efecto protector sobre el metal base aunque exista porosidad, discontinuidad o daño mecánico en alguna zona del recubrimiento. El área de metal base sobre la cual se extiende la protección catódica depende de la conductividad del medio. Para los recubrimientos de Zn sobre acero en aguas de baja conductividad, tales como agua destilada o aguas blandas, un defecto del recubrimiento de unos 3 mm de ancho, es posible que comience a formar herrumbre en el centro. Sin embargo, en agua de mar, que es un buen conductor, el Zn protege al acero en varios decímetros. Esta diferencia de comportamiento es consecuencia de que en las aguas de alta conductividad las densidades de corriente adecuadas para la protección catódica se extienden a considerable distancia, mientras que la en las aguas de baja conductividad las densidades de corriente de corriente catodica disminuyen con rapidez en función de la distancia. 2) Recubrimientos catódicos (recubrimientos con metales nobles) Son recubrimientos catódicos el Cr, Ni, Pb, Sn, Cu, Ag, Au, Rd y Pt sobre hierro. Por ejemplo, en el caso de un recubrimento de níquel, el hierro constituye el ánodo de la pila. La menor fisura en el revestimiento dará lugar a un ataque del hierro; en estas zonas se forma óxido, que se extiende rápidamente por debajo de la capa de recubrimiento, siendo pues necesario que el recubrimiento sea perfcctanieiite continuo. Es importante que los recubrimientos nobles se preparen siempre con la mínima cantidad de poros y que tales poros, cuando existan, sean tan pequeños como resulte posible, de forma que retrasen el acceso de agua al metal base. Esto, por lo general, requiere aumentar el espesor del recubrimiento. A veces se rellenan los poros con una laca orgánica, o se difunde en el recubrimiento, a temperaturas elevadas, un segundo metal de punto de fusión más bajo (p. ej. Zn o Sn en recubrimientos de Ni). 243 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua CAMPO DE APLICACIÓN DE LOS RECUBRIMIENTOS Tipos de recubrimientos Decorativos Protección anticorrosiva Antifricción Electrotécnica Soldadura + Plomo Aleaciones de plomo-estaño + + + Cromo + + Oro y aleaciones de oro + + Cobre + Aleaciones de cobre + Níquel (electrolítico) + + + Níquel (químico) + + + Plata + + + + + + + + Cinc + Estaño + + + + + + + + Nota: Cromado duro: El cromado electrolítico de los metales con arreglo a una técnica especial confiere a la capa de cromo depositado propiedades muy superiores a las obtenidas por medio del cromado corriente decorativo. A este cromado especial se le denomina cromado duro. Con su aplicación se consigue disminuir el coeficiente de rozamiento de la superficie de los metales, aumentando especialmente la resistencia al desgaste (cualidad más apreciada del cromado duro). Mejora asimismo la resistencia a la corrosión, condicionado a que no se produzcan porosidades o grietas, pues en este caso, como el cromo respecto al hierro es anódico, se producirá la corrosión acelerada de este último. - PROCEDIMIENTOS PARA OBTENER UN RECUBRIMIENTO METÁLICO. Los principales procedimientos para obtener un recubrimiento metálico son los siguientes: a) Inmersión en un baño fundido. El metal que se ha de proteger se sumerge en un baño del metal protector fundido. Siendo así que la operación se realiza en caliente, la capa formada es compleja, a causa de los fenómenos de difusión que se producen. Este método se utiliza especialmente para obtener depósitos de cinc (galvanización) o de estaño (estañado). b) Electrólisis. Esta técnica es difícil de aplicar en el caso de piezas de grandes dimensiones. Los depósitos presentan siempre cierta porosidad, debido a la presencia de partículas extrañas o de gases ocluidos durante la operación de electrólisis. Ello obliga a efectuar depósitos de espesor suficiente para que no exista continuidad entre los poros. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 244 c) Metalizado: Consiste en proyectar un metal fundido o en estado plástico pulverizado sobre la superficie de otro. Con esto se consigue der superficialmente a un metal las características de otro, si es que son superiores por algún concepto, como, por ejemplo, por su mayor resistencia al desgaste, a la corrosión, etc. Entre los procedimientos de metalizado ( o metalización) destacamos los dos siguientes: c.1) Metalización con pistola. El metal fundido al soplete es proyectado en forma de finas gotas sobre la estructura que debe ser protegida. Los recubrimientos así formados presentan un aspecto granuloso y son muy porosos. Para obtener una buena protección, el metal de base debe ser decapado mediante chorro de arena y el depósito debe alcanzar varias décimas de milímetro de espesor. Este método es de aplicación muy fácil. Puede utilizarse para proyectar muchos metales, como son el cinc, el aluminio, el plomo, el níquel, el cobre e incluso aleaciones, como el acero inoxidable 18-8. c.2) Metalización al vacío. Se trata de un recubrimiento obtenido por vaporización al vacío de un metal, llevado a temperatura elevada por calentamiento eléctrico de su soporte. Con este procedimiento el espesor de la capa es como máximo del orden de 1500 amstrong. Esta técnica es utilizada en óptica y en electrónica, por ejemplo, para depositar aluminio sobre el acero (superficies reflectantes). Pero no se utiliza en anticorrosión. d) Depósito en fase gaseosa. La pieza que debe ser recubierta es llevada a una temperatura ligeramente superior a la que corresponde a la descomposición o a la reducción del compuesto metálico gaseoso. El depósito se efectúa bajo presión reducida del compuesto. Su espesor puede ser muy grande, de varias décimas de milímetro. Este método se utiliza en anticorosión para la protección de piezas de forma complicada: recubrimiento de níquel por descomposición de carbonilo de níquel Ni(CO)4 a 150°C, recubrimiento de tungsteno por reducción del fluoruro de Wolframio WF6 por hidrógeno a unos 400°C. La metalización al vacío y el depósito en fase gaseosa pueden ser utilizados para revestir piezas no metálicas, por ejemplo refractarios. e) Depósito químico. Este método permite el depósito en fase líquida. Por ejemplo, puede depositarse níquel sobre el hierro descomponiendo el hipofosfito sódico en medio ligeramente ácido. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 245 RECUBRIMIENTOS METÁLICOS PARA LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO Y CONDUCCIÓN DE AGUA Es posible realizar recubrimientos con una gran cantidad de metales, pero el campo se queda notablemente reducido aplicando las siguientes consideraciones. 1. En el caso de metales en contacto con agua para consumo humano, no deben transmitir al agua sustancias o propiedades (colores, sabores, etc.) que contaminen o empeoren su calidad, según se exige en la legislación vigente (RD 140/2003). A este respecto, es necesario que los metales utilizados para recubrimientos, a causa de los fenómenos de erosión, corrosión, etc., no se transfieran al agua de consumo sobrepasándose las concentraciones máximas permitidas: Mercurio: 1 µg/litro Cadmio: 5,0 µg/litro Niquel: 20 µg/litro Plomo: 25 (10) µg/litro Cromo: 50 µg/litro Hierro: 200 µg/litro Aluminio: 200 µg/litro Cobre: 2000 µg/litro 2. Máxima protección contra la corrosión. Esta exigencia favorece el uso de materiales metálicos que den lugar a recubrimientos anódicos respecto al hierro, ya que ante un eventual fallo en el recubrimiento (poros, arañazos,...) el recubrimiento sigue protegiendo al metal base. Hay que tener en cuenta que todos los recubrimientos metálicos preparados comercialmente son en mayor o menor grado, porosos. Además, los recubrimientos tienden a dañarse durante el transporte o en su utilización. 3. Coste Restringe el uso de metales preciosos, y otros escasos. Aplicando los criterios anteriores, en principio resultarían como recubrimientos metálicos más adecuados los correspondientes a los metales de baja toxidad, anódicos respecto al metal base y con un precio razonable. Ello nos conduce fundamentalmente a recubrimientos de Zn, Sn y Al. 2.3.2.2. RECUBRIMIENTOS DE CINC. GALVANIZADO - TÉCNICAS PARA LOS RECUBRIMIENTOS DE CINC PROPIEDADES DEL GALVANIZADO POR INMERSIÓN EN CALIENTE COMPORTAMIENTO DEL GALVANIZADO FRENTE A LOS MEDIOS CORROSIVOS UNIONES SOLDADAS TÉCNICAS PARA LOS RECUBRIMIENTOS DE CINC En función de las características que deba presentar la protección anticorrosiva, se aplican diferentes técnicas para realizar los recubrimientos con cinc: 1) Galvanizado por inmersión en caliente (GIC). La denominación clasica de galvanizado se aplica tradicionalmente al recubrimiento obtenido por inmersión de un material férreo en cinc fundido. Las piezas a tratar se sumergen, habiendo limpiado previamente su superficie, en un baño de cinc fundido que suele estar a una temperatura de 445º C-460º C. En este proceso tiene lugar la interdifusión de ambos elementos y se forman varias capas aleadas y una capa externa de la misma composición que el cinc fundido. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 246 2) Galvanizado o cincado electrolítico. Se obtiene por deposición catódica en un baño electrolítico de sales de cinc, y todo el recubrimiento es de cinc puro. Los espesores comerciales son mucho menores que los del Galvanizado (GIC) y su acabado más decorativo. El proceso se utiliza para proteger piezas más pequeñas, cuando requieren un acabado más uniforme que el proporcionado por el GIC. El Galvanizado Electrolítico es el proceso con el que más frecuentemente se confunde el Galvanizado (GIC), ya que el adjetivo electrolítico suele omitirse. Para evitar esto, sería preferible denominarlo Electrocincado (EC) o Cincado Electrolítico (CE). 3) Sherardización o sherardizado. Las piezas preparadas de hierro o acero se calientan con una mezcla de polvo de cinc y arena en tambores rotatorios a temperatura por debajo del punto de fusión del cinc (380º C-400º C), hasta que éste forma un recubrimiento continuo sobre la superficie de la pieza. Se forman las mismas capas aleadas que en la Galvanización por inmersión en caliente (GIC), pero no existe la capa externa de cinc.El recubrimiento es muy uniforme. Este proceso da a las piezas un recubrimiento mate gris, utilizandose principalmente para piezas pequeñas, debido a la dificultad de calentamiento uniforme de grandes piezas. 4) Galvanizado en frío. Se otiene proyectando, por distintos procedimientos, gotas de cinc fundido sobre una superficie férrea. Las gotas se apelmazan unas sobre otras y dan una estructura algo porosa, pero adherente. El espesor de la capa varía dentro de límites muy amplios. 5) Plaqueado mecánico. En este procedimiento, el material a recubrir, convenientemente desengrasado y decapado, se introduce en un tambor rotatorio que contiene bolas de vidrio de 0,15 a 5 mm de diámetro, productos químicos, polvo de cinc y agua. El tambor gira a razón de 15 rpm, consiguiendo al cabo de unos 45 minutos un recubrimiento de unos 8 µm. El tamaño de las bolas, el polvo y la naturaleza de los aditivos constituyen los aspectos básicos del proceso. 6) Pinturas de Cinc El pintado, con pinturas a base de cinc, constituye otro de los procedimientos de protección del cinc. En esta clase de recubrimiento se emplea un polvo de cinc muy fino que se halla en suspensión en un aglutinante orgánico o inorgánico. Las técnicas de aplicación de este tipo de revestimientos son similares a las empleadas para la aplicación de laca (p. ej. proyección, inmersión). Existen tipos de pinturas muy diferentes, si bien todas coinciden básicamente en tener un 90 – 95 % de polvo de cinc y un 5 – 10 % de óxido de cinc. Recientemente, han alcanzado un gran desarrollolas pintura a base de silicato de cinc. 247 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Galvanizado por inmersión Continuidad y uniformidad Espesor Galvanizado por proyección Galvanizado electrolítico Sherardización Recubrimientos con polvo de cinc Continua y muy uniforme, incluso en partes irregulares Buena, algunos poros, recubiertos con productos de reacción Buena. Posibles discontinuidades a simple vista. Exceso de cinc en puntos de drenaje de la pieza y esquinas Depende de la aptitud del operador. Recubrimiento poroso rápidamente relleno con productos de la corrosión de cinc Uniforme, con limitaciones de acuerdo a la solubilidad del baño 50-125 µm para tubos, 10-50 µm para láminas y filamentos, 5-10 µm para piezas Espesores variables entre 100-150 µm. Puede llegar a superar los 500 µm Variable entre Variable entre 2,5 y 5 µm. 15-30 µm Posibilidad de espesores superiores a costa de menor rentabilidad Superior a 40 µm Nota: El término galvanizado se diferencia de galvánico en que este último se emplea para designar de forma genérica a los recubrimientos o depósitos obtenidos mediante electrólisis. PROPIEDADES DEL GALVANIZADO POR INMERSIÓN EN CALIENTE El proceso de galvanización en caliente produce un recubrimiento de zinc que está unido metalúrgicamente al acero de base a través de una serie de capas de aleaciones zinc-hierro. Esta característica, que es la que confiere al acero galvanizado su elevada resistencia a los golpes y a la abrasión, que es de gran importancia para evitar el deterioro del recubrimiento durante el manejo, transporte, almacenamiento y montaje del material galvanizado. Debido a la forma de obtención de los recubrimientos galvanizados, que consiste en la inmersión de las piezas a proteger en un baño de zinc fundido, la totalidad de la superficie de las mismas queda recubierta tanto interior como exteriormente. Igualmente ocurre con las rendijas estrechas, los rincones, las esquinas y las partes ocultas de las piezas, que no quedan bien protegidas por otros tipos de recubrimientos. Los recubrimientos galvanizados protegen al acero de dos vías: 1. Porque constituyen una barrera que se corroe a una velocidad 10 a 30 veces inferior a la del acero. 2. Porque proporcionan protección catódica a las pequeñas zonas que puedan desnudarse (bordes de cortes o taladros, arañazos, etc.). Una de las características fundamentales en los recubrimientos GIC es su ausencia de porosidad y la protección catódica que confiere al acero base. Por éstas y otras razones, los recubrimientos GIC constituyen una seria competencia a las pinturas como sistemas de protección contra la corrosión de superficies metálicas. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 248 Nota: En relación a los recubrimientos orgánicos, aparte de las razones económicas (coste de la mano de obra) y técnicas (dificultad de control) que presentan las aplicaciones convencionales de las pinturas, hay que señalar el hecho de que las pinturas constituyen una barrera inerte relativamente porosa a la humedad y relativamente inelástica frente a la temperatura. Por ello, pueden producirse grietas en la pelicula de pintura o simplemente ser lo suficientemente permeable como para permitir el acceso del electrolito a la superficie del acero. A partir de ese momento, comienza el ataque al metal, y el gran volumen de los productos de corrosión originados provoca el levantamiento de la película favoreciendo el proceso corrosivo.) Las construcciones de acero galvanizado, no necesitan normalmente mantenimiento alguno a lo largo de toda la vida de servicio de las mismas. Por el contrario, los recubrimientos de pintura de construcciones metálicas necesitan reacondicionarse periódicamente, lo que constituye una operación costosa y, en muchos casos, de difícil y arriesgada realización. Mediante la galvanización se pueden proteger desde pequeñas piezas, como clavos y tornillos hasta grandes elementos estructurales. COMPORTAMIENTO DEL GALVANIZADO FRENTE A LOS MEDIOS CORROSIVOS Se consideran la exposición a los siguientes medios: a) Exposición a la Atmósfera b) Exposición a Medios Acuosos c) Exposición a Suelos naturales d) Corrosión en contacto con los materiales de construcción a) Exposición a la Atmósfera En la figura siguiente se muestra la vida media probable y los márgenes de oscilación, para cuatro atmósferas tipo en función de la masa del recubrimiento de galvanizado. Aunque la incertidumbre de los resultados de la figura anterior es relativamente grande, nos aporta una valiosa orientación a la hora de decidir si un determinado procedimiento para el recubrimiento con Zn va a proporcionar la protección que deseamos. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 249 En principio, y como regla general, se acepta que la duración de la protección que proporcionan los recubrimientos galvanizados, en un ambiente determinado, es directamente proporcional al espesor de los mismos.Como cifra orientativa, se estima que un recubrimiento galvanizado con un espesor medio de 80 micrómetros podría durar sin necesidad de mantenimiento más de 100 años en una atmósfera rural, entre 40 y 100 en atmósferas urbanas, ligeramente industriales o marítimas suaves, entre 20 y 40 años en ambientes industriales no húmedos o urbanos marítimos y entre 10 y 20 años en atmósferas industriales muy húmedas o ambientes marítimos con elevado grado de salinidad. Galvanizado + Pintura (Sistema dúplex) En determinadas ocasiones es necesario pintar el acero galvanizado, bien sea por motivos decorativos, de señalización, etc., o bien para aumentar la duración de la protección en ambientes muy agresivos. La combinación de recubrimiento galvanizado más pintura (sistema dúplex) presenta la ventaja de proporcionar una protección de duración muy superior a la suma de las duraciones de cada recubrimiento por separado. Las pinturas constituirán una barrera frente a determinados agentes, pero dejarán el paso libre, en mayor o menor grado, a agentes agresivos como la humedad; estos, al encontrarse con el cinc, darán unos productos de corrosión protectores que no sólo no producirán el levantamiento de la película, sino que actuarán sellando los poros y las grietas que se produzcan. Este comportamiento conjutno de ambos sistemas de protección tiene características sinérgicas y se estima que la protección conseguida por este sistema de Galvanizado + Pintado es de 2 a 3 veces mayor que si actuasen independientemente. Para conseguir una buena adherencia de las pinturas sobre el acero galvanizado es necesario utilizar sistemas adecuados y atenerse a las recomendaciones para su aplicación que dan los fabricantes de las pinturas. b) Exposición a Medios Acuosos Consideraremos el efecto de los siguientes factores: pH, iones en el medio acuoso y temperatura b.1) Efecto del pH En la figura siguiente se pone de manifiesto la distinta velocidad de corrosion que presentan los materiales galvanizados en función del pH en la disolución acuosa en que se encuentran. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 250 En medios acuosos a temperatura ambiente la corrosión total, según ensayos de corta duración, es my baja dentro de la zona de pH de 7 a 12, como se observa en la figura anterior. En medios ácidos o muy alcalinos, el ataque principal tiene lugar por desprendimiento de H2. - En medios ácidos y en ausencia de oxígeno tienen lugar las siguientes reacciones: Zn → Zn2+ + 2e- (1) 2 H3O- + 2e- → H2 ↑ + 2 H2O (7) - En medios alcalinos, por encima encima de pH 12,5 el cinc reacciona con rapidez formando cincatos solubles, de acuerdo con: Zn + OH- + H2O → HZnO2- + H2 La mayoría de las aguas para consumo humano tienen un valor de pH que oscila entre 5 y 8,5 por lo que en el caso de las aguas más ácidas, hay que esperar una duración del galvanizado bastante baja. En estos casos, la corrosión que sufren los recubrimientos de zinc los hacen inaceptables por razones de salubridad (las sales de Zn presentan una cierta toxicidad, admitiéndose el galvanizado para el agua potable, pero no se recomienda para estar en contacto con otros alimentos). En agua de mar, los recubrimientos de Zn ofrecen una protección efectiva del acero contra la oxidación, siendo cada 0,025 mm de Zn igual a 1 año de vida. Así un recubrimiento de 0,13 mm protegerá al acero contra la aparición de óxido durante unos 5 años. b.2) Presencia de iones Existe un gran número de productos químicos que, disueltos en el agua, influyen en la velocidad de corrosión de los materiales galvanizados. Uno de los cationes más perjudiciales es el cobre, que se reduce a costa del Zn, sobre el que se deposita produciendo una pila de corrosión. Por ello, siempre que sea necesario conectar una tubería de cobre a una galvanizada aquélla tiene que estar después en el sentido de la circulación y haber una seguridad total de que no puede invertirse el sentido del flujo. Un fallo relativamente habitual que cometen los instaladores poco experimentados consiste en sustituir algún tramo de tubería galvanizada por tubería de cobre. Este tipo de "reparaciones", normalmente en el ámbito doméstico, producen el ataque del resto de la tubería galvanizada que se encuentra aguas abajo del trozo de cobre instalado ya que se ha originado una intensa pila de corrosión. La presencia de contenidos elevados en cloruros y sulfatos resulta también perjudicial ya que al ser sales solubles hacen que la capa protectora que se forme resulte mucho más porosa. En la tabla siguiente se recogen los valores de los parárnetros más característicos que la norma DIN señala a título de orientación para la composición de aguas adecuadas para el empleo de materiales galvanizados. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 251 b.3) Temperatura La peligrosidad de la temperatura en relación la corrosividad del agua sobre el galvanizado está ligada al intervalo de 60 ºC a 90 ºC, donde la velocidad de corrosión aumenta notablemente, como muestra la figura siguiente. Este aumento de la velocidad de corrosión está motivado por el cambio en la naturaleza de los productos de corrosión que pasan de ser un producto gelatinoso y adherente a otro granular no adherente. Influencia de la temperatura en la corrosión del cinc en agua destilada (según Cox). Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 252 También se ha observado que en el intervalo mencionado tiene lugar, en algunos casos, una inversión de potencial, resultando el cinc catódico respecto al hierro. Sobre este particular existen datos experimentales aparentemente contradictorios, si bien parece ser que se produce más fácilmente en aguas pobres en oxígeno y ricas en bicarbonatos. En el caso de aguas ricas en oxígeno y en presencia de sulfatos y cloruros parece ser que no se da esta inversión de potencial. La naturaleza de los productos de corrosión es gelatinosa y adherente entre 20-25 ºC; granular y escamosa, y muy permeable al oxígeno entre 55-75 ºC y a partir de 80 ºC vuelve a hacerse dura y compacta. Por ello, e independientemente de la inversión de potencial, no debe sobrepasarse la temperatura de 55-60 ºC. La norma práctica consiste en emplear las tuberías galvanizadas solamente en contacto con agua fría. c) Exposición a Suelos naturales En relación al galvanizado, puede afirmarse de modo general que los suelos inorgánicos reductores son más corrosivos que los oxidantes. Un recubrimiento de 600 g/m2 resulta suficiente para una duración mínima de 10 años en un suelo inorgánico oxidante, mientras que para conseguir una duración equivalente en un suelo inorgánico reductor, tenemos que pensar ya en recubrimientos de 900 g/m2). Los suelos los inorgánicos reductores, son menos agresivos que los suelos orgánicos en los que suele haber ácidos orgánicos procedentes del humus. Los resultados de los ensayos sobre comportamiento de tuberías galvanizadas, ponen de manifiesto que, en la mayoría de los suelos corrosivos, la velocidad de corrosión del acero (después de la desaparición de todo tipo de recubrimiento galvanizado) es bastante menor que la de las probetas de control de acero desnudo. En cualquier caso, los recubrimientos galvanizados previenen la formación de picaduras en el acero. Parece ser que, en algunos suelos, la protección del cinc al acero se debe no sólo a su carácter anódico, sino que interviene algún otro mecanismo de protección. En algunos ensayos se ha visto que esta protección adicional se podía deber a la formación de una película constituida básicamente por silicato de cinc. . d) Corrosión en contacto con los materiales de construcción El hormigón y el yeso son los dos materiales artificiales con los que más frecuentemente pueden encontrarse los productos galvanizados. La existencia constante o intermitente de la humedad favorecerá el mayor ataque de los materiales, ya que los procesos de corrosión aumentan mucho su velocidad cuando se supera la cota de 60-70 % de humedad relativa. Por esta razón, es conveniente prestarle atención a los detalles constructivos, en particular al secado del hormigón y la ausencia de condensaciones. Algunas veces, antes de que llegue a secarse el hormigón, se cubre con el solado correspondiente que va así a mantener en el hormigón unas condiciones de humedad elevada y de agresividad segura. Por otra parte, la aparición de condensaciones puede evitarse procurando que las tuberías de agua fria y agua caliente no vayan próximas para que no tengan lugar condensaciones sobre la pared fría. Para los valores de pH que existen en el hormigón de hasta 12,5, la alcalinidad desarrolla una película pasiva sobre el hierro que lo protege de la corrosión. La velocidad de corrosión del cinc en estas condiciones es también baja y se obtiene una protección satisfactoria de armaduras y tuberias empotradas. La presencia de cloruros actúan picando la capa pasiva que se forma sobre la armadura desnuda permitiendo que comience la corrosión. La disminución del valor del pH del hormigón producido, bien por la carbonatación, o por la acción de otros gases ácidos, ocasiona, asimismo, la pérdida de la capa pasiva sobre el acero desnudo, incluso para valores ligeramente alcalinos. Por el contrario, el recubrimiento galvanizado presenta su valor mínimo de la velocidad de corrosión para un pH entre 6,5 y 12,5 (Fig. 9), por lo que resulta un material adecuado para su trabajo en este intervalo. No obstante, cuando se superan estos límites, la velocidad de corrosión del acero galvanizado aumenta vertiginosamente, produciéndose una rápida desaparición del recubrimiento. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 253 La tendencia general hacia el empleo de elementos galvanizados en contacto con el hormigón está experimentando un apreciable crecimiento. Un aspecto de gran interés que conviene tener en cuenta a la hora de valorar el empleo de armaduras galvanizadas es el de que en algunos paises -Reino Unido, Estados Unidos- las normas de construcción permiten un espesor menor de hormigón sobre la armadura si está galvanizada. Asimismo, el menor volumen de los productos de corrosión del recubrimiento galvanizado disminuye, prácticamente anula, el riesgo de reventamiento del hormigón, lo cual tiene un gran interés práctico y estético. El relación a la adherencia de las armaduras los resultados obtenidos han proporcionado una mejora de la adherencia en algunos casos y en aquéllos en los que la adherencia resultó peor siempre fue superior a los mínimos que establecen las normas para las armaduras sin galvanizar. UNIONES SOLDADAS Del primitivo rechazo de las uniones soldadas de elementos galvanizados se ha pasado, tras el desarrollo y mejora de los procesos de soldadura a la utilización masiva de estructuras galvanizadas soldadas después de galvanizadas. De un modo general, se puede establecer la posibilidad de soldar cualquier tipo de material galvanizado, utilizando los sistemas convencionales con una pequeña modificación en lo que se refiere al modo de trabajo. Así, la separación entre piezas a soldar debe ser algo mayor para permitír la evacuación de los humos de cinc (vapor y óxido) que se forman como consecuencia del calentamiento y conseguir una soldadura exenta de poros. Es necesario reacondicionar la zona afectada por la soldadura, para lo cual se puede emplear una pintura rica en cinc o bien una aleación eutéctica cinc-cadmio. Asimismo, es necesario disponer de un extractor de humos portátil o incorporado a la boquilla portaelectrodos que permite su eliminación rápida y la observación de la soldadura durante su realización. 2.3.2.3. RECUBRIMIENTOS DE ESTAÑO El Sn se utiliza para la fabricación de hojalata (láminas de acero recubiertas de Sn) para los envases de alimentos. La naturaleza no tóxica de las sales de Sn hace a la hojalata ideal para envases de bebidas y alimentos. Por la cara exterior de un recipiente recubierto de Sn, el Sn es catódico con relación al acero, de acuerdo con el potencial normal del Sn (– 0,136 V) en comparación al del Fe (–0.440 V). Sin embargo, en el interior, el Sn es casi siempre anódico con relación al hierro y por esto el Sn protege al acero base. Esta afortunada inversión de potencial tiene lugar debido a que los iones estannosos, Sn++, son complejados por muchos productos alimenticios lo cual reduce fuertemente la actividad de los iones Sn++, resultando un cambio de potencial del Sn en sentido activo. PROPIEDADES DEL ESTAÑO: El estaño es un metal anfótero (reacciona tanto con ácidos como álcalis), pero que es relativamente resistente en medios neutros o casi neutros. No se corroe en aguas blandas y se emplea desde hace muchos años en las tuberías de agua destilada. Sólo la escasez y elevado precio del Sn han hecho que se se empleen otros materiales para las tuberías de agua destilada, por ejemplo Al. La corrosión en ácidos diluidos no oxidantes, por ejemplo HCl y H2SO4, está determinada principalmente por la concentración de oxígeno disuelto en el ácido. La sobretensión de H2 del Sn es tan elevada que la corrosión acompañada por desprendimiento de H2 es limitada. Por ejemplo, el ácido acético desaireado corroe al estaño con lentitud, sea en caliente o frío. El NH4OH y Na2CO3 tienen poco efecto, pero en solución de NaOH concentrada la velocidad de ataque es rápida con formación de estannato sódico. En los álcalis fuertes el estaño se corroe Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 254 rápidamente y la velocidad de esta corrosión aumenta progresivamente cuando la alcalinidad pasa de un pH de 8,5. Como en los ácidos, la velocidad de corrosión aumenta con la aireación. Comportamiento en la atmósfera: Cuando se expone al aire, el estaño se recubre en pocas horas con una película invisible de óxido estánnico que retrasa considerablemente, aunque no evita la continuación del ataque. Las experiencias realizadas inidican que la película superficial que se forma es de naturaleza granular y no del tipo protector continuo. El comportamiento del estaño que se expone directamente a las condiciones de intemperie, está influenciado por la lluvia, por la contaminación atmosférica y, sobre todo, por los cloruros presentes en elevadas proporciones en ambientes marinos. Los datos experimentales recogidos indican que en las localidades marinas es donde se registra la corrosión más acusada y que las atmósferas industriales ejercen un efecto mucho más corrosivo sobre el estaño que las menos contaminadas de carácter rural. Aparentemente, la humedad relativa de la atmósfera ejerce un efecto acelerador muy poco marcado sobre la corrosión del estaño, siempre que no sobrepase el 85%. La hojalata La hojalata combina la resistencia relativamente superior a la corrosión de los metales no férreos con la tenacidad del acero. Las chapas de los metales estañados pueden deformarse intensamente sin que el recubrimiento experimente serios trastornos y, en consecuencia, esto permite la obtención de piezas bastante complicadas mediante procesos de estampado, estirado, laminado, etc. En vista de que el estaño se presta admirablemente a las operaciones de soldadura y no ejerce ningún efecto tóxico sobre los alimentos que están en contacto con él, la hojalata se emplea profusamente en la industria de conservas. Aparte de sus otras características favorables, la superficie de la hojalata puede decorarse, pintarse, esmaltarse o laquearse sin dificultad. Además de en la fabricación de hojalata, el estaño se emplea en bastante menor escala en el recubrimiento del cobre. 2.3.2.4. RECUBRIMIENTOS DE ALUMINIO En aguas blandas el Al muestra un potencial catódico con relación al acero y por ello actúa como recubrimiento noble. En agua de mar y en algunas aguas naturales , en especial en aquellas que contienen Cl- y SO4= , el potencial del Al se hace ás activo y se invierte la polaridad del par Al-Fe. Un recubrimiento de Al en estas condiciones es soluble o de sacrificioy protege catódicamente al acero. A juzgar por su potencial, marcadamente electronegativo, los recubrimientos de aluminio deberían proporcionar una protección catódica al hierro en los poros y en otros defectos de la capa que ponen el metal subyacente al descubierto. Sin embargo, debido al hecho de que al aluminio reacciona con gran avidez con el oxígeno, en condiciones normales se forma una película de óxido superficial de carácter relativamente inerte, que le comunica al metal una nobleza aparente. Por tanto , el aluminio proporciona una protección electroquímica escasa o nula a los metales férreos, excepto en soluciones de cloruros, pues su virtud protectora se debe fundamentalmente a la resistencia inherente a la de corrosión de la película de óxido que se forma en la superficie. Se consiguen intensificar considerablemente las características protectoras de la película superficial formada sobre el aluminio, mediante la oxidación anódica del metal, aspecto que se tratará en el apartado siguiente. 2.3.2.5 .RECUBRIMIENTOS DE CADMIO Los recubrimientos de cadmio se obtienen casi exclusivamente por electrolisis. La diferencia de potencial entre el Cd y el Fe no es tan grande como entre en Zn y el Fe, por ello la protección catódica que proporciona al acero la sobrecapa de Cd disminuye con rapidez en función del tamaño de los defectos del recubrimiento. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 255 El Cd es más caro que el Zn pero mantiene durante más tiempo el aspecto metálico brillante. Además, es más resistente al ataque por los condensados atmosféricos y a la niebla salina. Por otra parte, sin embargo, los recubrimientos de Cd expuestos a la atmósfera, no son tan resistentes como los recubrimientos de Zn de igual espesor. En medios acuosos el Cd, a diferencia del Zn, resiste el ataque de los álcalis fuertes. Al igual que el Zn, se corrroe en ácidos diluidos y en amoniaco acuoso. Las sales de Cd son tóxicas y por esta razón los recubrimientos de Cd no deben ponerse en contacto con productos alimenticios. Las sales de Zn son menos tóxicas, tanto es así que se admite el galvanizado para el agua potable, pero no se recomienda para estar en contacto con otros alimentos. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 256 2.3.3 RECUBRIMIENTOS INORGÁNICOS (NO METÁLICOS) Aparte de los recubrimientos orgánicos (pinturas) y los recubrimientos metálicos, vistos anteriormente, se utilizan frecuentemente los siguientes recubrimientos inorgánicos: - RECUBRIMIENTOS POR TRANSFORMACIÓN QUÍMICA - ESMALTES VÍTREOS - RECUBRIMIENTOS CEMENTO PORTLAND RECUBRIMIENTOS POR TRANSFORMACION QUIMICA Se trata de recubrimientos protectores formados ín situ por reacción química con la superficie del metal. Se consideran tres tipos por transformación química: - Fosfatación - Oxidación Superficial - Cromatado 1) Fosfatación Los recubrimientos de fosfato sobre acero se obtienen extendiendo sobre la superficie limpia del acero, por medio de brocha o rociado, una solución diluida, fría o caliente, de ortofosfato ácido de cinc o de manganeso (p.ej. ZnH2PO4 más H3PO4). La subsiguiente reacción produce una red de cristales porosos de fosfato metálico unidos a la superficie del acero. Algunas veces se añaden a la solución fosfatante aceleradores, por ejemplo, Cu2+, CIO3-, o NO3-, para aumentar la velocidad de reacción. Los recubrimientos de fosfato no dan por sí mismos una protección apreciable contra la corrosión. Son útiles principalmente como base para las pinturas, ya que proporcionan buena adherencia de la pintura al acero y disminuyen la tendencia a la corrosión que socava la película de pintura en los arañazos y otros defectos. Se puede utilizar para proteger el hierro, el aluminio o el cinc. 2) Oxidación Superficial 2.a) Recubrimientos de óxido sobre el acero. Se pueden preparar por oxidación controlada en aire a alta temperatura o, por ejemplo, por inmersión en soluciones de álcalis concentrados y calientes que contengan persulfatos, nitratos o cloratos. Estos recubrimientos de color azul, marrón o negro, se componen en su mayor parte de Fe3O4, y, al igual que los recubrimientos de fosfatos, no son protectores contra la corrosión. 2.b) Formación de una película protectora por oxidación anódica. La oxidación anódica es un método que se aplica principalmente al aluminio y a sus aleaciones. También recibe el nombre de anodizado. Al exponerse a los agentes atmosféricos, el aluminio recién abrasionado forma rápidamente una película impermeable de óxido de un espesor de 0,1 micras. Al cabo de unos diez a catorce días la película de óxido ya no aumenta. Su carácter inerte y autocicatrizante ofrece una considerable resistencia a la oxidación atmosférica normal, con lo que la velocidad de corrosión se reduce a un valor muy bajo. La película de alúmina (Al2O3) que se forma espontáneamente en el aire sobre la superficie del aluminio resulta sin embargo insuficiente para proteger el metal contra un ataque químico débil o para resistir la abrasión. El tratamiento dé oxidación anódica se realiza a temperatura ambiente en un electrolito adecuado, por ejemplo ácido sulfúrico diluido, y permite formar en la superficie del metal, por Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 257 electrólisis, una película de alúmina gruesa (de 0,0025 a 0,025 mm), dura y protectora.El óxido así obtenido tiene que someterse a hidratación para mejorar sus propiedades protectoras, exponiendo los artículos anodizados al vapor o agua caliente durante varios minutos, proceso que se denomina «sellado». El recubrimiento de óxido se puede teñir de diversos colores, en el baño de anodizado o después. El anodizado mejora en cierto grado la resistencia a la corrosión, aunque la protección adicional no es espectacular y sin duda es menor que la proporcional al correspondiente espesor de óxido. Los recubrimientos obtenidos en el anodizado proporcionan una superficie base buena para el pintado del Al, que es un metal de otro modo difícil de pintar sin someter a la superficie a una preparación especial. 3) Cromatado Los recubrimientos de cromato se forman sobre cinc por inmersión del metal limpio durante unos pocos segundos en una solución a temperatura ambiente de dicromato potásico (p. ej., 200 g/l) acidificada con H2SO4 (p. ej., 8 ml/l) y después se lava y se seca. Se forma una superficie de cromato de cinc que da un ligero color amarillo y que protege al metal de manchas y oxidación causada por la humedad condensada. Esto también aumenta la vida del cinc, en un grado modesto, expuesto a la acción de la atmósfera. Se han recomendado recubrimientos similares para el cadmio. ESMALTES VITREOS Los esmaltes son esencialmente borosilicatos de clacio, de potasio y de plomo, que se aplican formando una papilla sobre el metal previamente desengrasado y decapado. Una vez secas, se introducen las piezas en un horno donde se funde el esmalte formando una capa vítrea protectora. Los esmaltes tienen el inconveniente de que no son elásticos y saltan con facilidad si se golpean.. Los esmaltes vítreos proporcionan una protección eficaz para los metales base contra la corrosión de muchos medio agresivos. Los vidrios, que en esencia se componen de borosilicatos alcalinos como ya se señaló, pueden formularse para resistir ácidos fuertes y álcalis suaves o ambos. Su elevada calidad protectora se debe a su impenetrabilidad al agua, y al oxígeno aun durante tiempos de exposición relativamente largos, y por su estabilidad y duración a temperatura ambiente y superiores. Los recubrimientos de esmalte vítreo se aplican principalmente sobre acero pero también es posible aplicar algunos recubrirnientos sobre cobre, bronce y aluminio. RECUBRIMIENTOS DE CEMENTO PORTLAND Los recubrimientos de cemento Portland tienen las ventajas de un bajo coste, coeficiente de dilatación (1,0 x 10-5 0C-1), aproximado al del acero (1,2 X l0-5 0C-1) y facilidad de aplicación y reparación. Se pueden aplicar por colada centrífuga (como se hace para el interior de tuberías), con paleta o llana y por aspersión. La gama de espesores oscila en general entre 0,5 y 2,5 cm, y es habitual reforzar los recubrimientos más delgados con una armadura en forma de malla de alambre. Los recubrimientos de cemento Portland se usan para proteger las tuberías de hierro colado o de acero para agua por el lado del agua, del suelo, o ambos, con excelentes resultados. Además, los revestimientos de cemento Portland se emplean en el interior de depósitos para agua caliente y fría, y depósitos de almacenamiento de productos químicos. Las desventajas de los recubrimientos de cemento Portland estriban en su sensibilidad a los daños originados por choques mecánicos o térmicos. Sin embargo, los desperfectos de depósitos abiertos se reparan con facilidad revocando las zonas agrietadas con cemento recién preparado. El cemento Portland puede resultar atacado por aguas ricas en sulfatos, pero actualmente se dispone de cementos compuestos que tienen una mejor resistencia a tales aguas ( cementos con característica SR) Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 258 2.4 Inhibidores de Corrosión Los inhibidores de corrosión son sustancias que se introducen en pequeña proporción en el medio corrosivo y reducen la velocidad de corrosión metálica sustancialmente debido a la formación de una capa protectora sobre la superficie del tubo que constituye una barrera entre el agua y la superficie metálica. Los inhibidores actúan sobre la interfase metal-medio, dificultando el desarrollo del proceso de corrosión a través de dos mecanismos: 1. Precipitación de compuestos insolubles sobre la superficie metálica. 2. Formación de capas pasivantes adsorbidas. La inhibición se descubrió al observar el efecto protector de ciertas sustancias naturales, pero más recientemente, al comprobar que varios varios grupos funcionales de la química orgánica poseían propiedades inhibidoras, se encontró una fuente inagotable de inhibidores potenciales,siendo posible, actualmente, recurrir a la utilización de productos químicos sitéticos y realizar un diseño específico de inhibidores. En la Tabla siguiente figuran algunos sistemas metal/medio, los inhibidores que han sido utilizados para la protección y la concentración de los mismos SISTEMA INHIBIDOR Agua potable Ca(HCO3)2 Polifosfatos Ca(OH)2 Na2SiO3 Inhibidores De las pinturas ZnCrO4 ZnCrO4 Minio (rojo) Hormigón armado NaNO2 METAL PROTEGIDO Acero, Fundición... Fe, Zn, Cu y Al Fe, Zn, Cu Fe, Zn, Cu Fe, Zn, Cu Fe, Zn, Cu Fe Fe CONCENTRACIÓN 10 ppm 5 a 10 ppm Hasta pH = 8 10 a 20 ppm Variable Variable Variable 2 % ( según contenido de cloruros ) Inhibidores de corrosión para agua potable En los casos de notoria corrosividad o agresividad de las aguas puede ser recomendable tratar dicho agua con inhibidores de corrosión. Los inhibidores para agua potable corresponden básicamente a dos familias de compuestos: - Polifosfatos (ortofosfatos, polifosfatos, fosfatos «mixtos» mezclas de ortofosfatos y polifosfatos) - Silicatos sódicos. Las concentraciones límites de estos productos, aunque variables según los países, suelen ser de entre 5 y 10 ppm en polifosfatos y silicatos, expresados en P2O5 y SiO2, respectivamente. El tratamiento de agua con polifosfato sódico ayuda a reducir el color rojo originado por las sales férricas o la herrumbre que contiene en suspensión el agua. Este tratamiento también reduce en modesta cantidad la velocidad de corrosión en los casos en que el agua se mueve con cierta velocidad y está completamente aireada. Sin embargo, en las zonas de la red de distribución donde el agua tiene poco movimiento no ejerce, probablemente, beneficio práctico. La adición de pequeñas cantidades de Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 259 polifosfatos a los sistemas de agua caliente, aparte de su rápida descomposición en ortofosfatos que son menos efectivos como inhibidores, tampoco proporcionan ninguna ventaja en la protección del sistema contra la corrosión. El tratamiento con silicato sódico se emplea algunas veces individualmente por los propietarios de edificios situados en zonas de aguas blandas. Este tratamiento reduce el color rojo del agua, que produce la herrumbre en suspensión procedente de la corrosión de las tuberías de hierro y también elimina la coloración azul que produce el agua que ha pasado por tuberías de cobre o latón. Al mismo tiempo se suele observar una reducción práctica en la corrosión del acero del orden del 50 al 90%, aunque no en todas las aguas. La forma en que el silicato sódico actúa para formar una capa protectora todavía no se conoce completamente, pero hay evidencia de que se adsorbe sobre o reacciona con los depósitos de óxido existentes, hidróxidos o carbonatos. El silicato tiende a ser más efectivo a pH elevado y a dosis de 15 a 20 rng/litro. Condiciones básicas de dosificación de inhibidores de corrosión: El éxito de un inhibidor para controlar la corrosión depende de varios requisitos básicos: 1) Comenzar el tratamiento a dos o tres veces la concentración de inhibidor normal (“dosis de pasivación”) para acumular film protector tan rápido como sea posible y debe ser deseable. Esto minimiza la ocasión de que el picado comience antes de que toda la superficie metálica haya sido cubierta por la capa protectora. Usualmente se requieren al menos varias semanas para que el recubrimiento se desarrolle. 2) El inhibidor normalmente debe alimentarse de modo continuo y a una concentración suficientemente elevada (“dosis de mantenimiento”). Las interrupciones en la alimentación pueden producir pérdida de la capa protectora por disolución y las concentraciones que son demasiado bajas pueden evitar la formación de capa de protección en todas las partes de la superficie. 3) Los caudales circulantes deben ser suficientes para transportar continuamente el inhibidor para que llegue a todos los puntos de la superficie metálica; de otro modo, no se formará una barrera o película protectora. Por ejemplo, los inhibidores de corrosión a menudo no pueden reducir la corrosión en depósitos de almacenamiento si el agua no fluye, y el inhibidor no se alimenta continuamente. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 260 2.5 Protección Electroquímica Se consideran los siguientes apartados: 2.5.1 PROTECCIÓN CATÓDICA 2.5.2 PROTECCIÓN ANÓDICA 2.5.1 Protección Catódica La técnica de protección catódica se aplicó por primera vez en 1824, para proteger mediante bloques de cinc la envoltura de cobre de los buques. El sistema de protección catódica con corriente impresa comenzó a utilizarse unos cien años más tarde. El campo de aplicación actual va desde la protección de estructuras metálicas enterradas (gaseoductos, oleoductos, cables de energía y telefónicos, tanques, etc.), instalaciones marinas (cascos de buques, tuberías submarinas, boyas, pantalanes, plataformas petrolíferas, etc.), hasta, incluso para la prevención con cierta efectividad y bajo determinadas circunstancias de fenómenos de corrosión bajo tensión, fatiga con corrosión y descincificación, etc. Se consideran los siguientes apartados: - FUNDAMENTO ELETROQUÍMICO POTENCIAL DE PROTECCIÓN. CRITERIOS DENSIDAD DE CORRIENTE MÍNIMA (D.C. MIN.) PARA LA PROTECCIÓN CATÓDICA SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODOS DE SACRIFICIO PROTECCION CATODICA POR CORRIENTE IMPRESA COMPARACION ENTRE LOS SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA LIMITACIONES Y EFECTOS SECUNDARIOS DE LA TÉCNICA DE PROTECCIÓN CATÓDICA FUNDAMENTO ELETROQUÍMICO La reacción de disolución o corrosión de un metal puede expresarse como: Me → Men+ + ne- (1) Los electrones generados en la reacción anterior van a parar a los agentes oxidantes del medio (O2, H , etc.). Si desde el exterior aportamos a la superficie metálica suficiente carga eléctrica negativa como para conseguir que los electrones demandados por los agentes oxidantes sean aportados por la corriente eléctrica externa que llega al metal en lugar de por los propios átomos del metal, conseguiremos evitar la corrosión de éste. La protección catódica se define, asimismo, como el establecimiento de un estado de inmunidad mediante polarización catódica. + Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 261 POTENCIAL DE PROTECCIÓN. CRITERIOS Para diseñar una instalación de protección el primer parámetro a determinar es el potencial a que hemos de situar nuestra estructura metálica para evitar su corrosión. Existen varios criterios para establecer el valor potencial de protección. Entre los que cuentan con mayor aceptación se hallan: 1) Criterio de Pourbaix 2) Determinación experimental del potencial de protección 1) Criterio de inmunidad termodinámica basado en los Diagramas de Pourbaix La reducción de un catión metálico y su correspondiente potencial electroquímico viene expresado por las siguientes ecuaciones: Mn+ + ne- → M. (1) E = E0 + (RT/nF) ln [Mn+] (2) En un entorno acuoso, también se pueden formar hidróxidos u óxidos metálicos: E = E0 + (RT/nF) ln (aH+)n = E0 - (2,303RT/F) pH (3) M(OH)n + nH+ + ne- → M + nH2O Podemos representar gráficamente las dos ecuaciones de Nernst anteriores (2) y (3) en un Diagrama de Pourbaix (Diagrama pH- Potencial), respecto al electrodo estándar de hidrógeno. Actualmente se dispone de diagramas de Pourbaix para la mayoría de los metales, mostrándose en la figura siguiente el diagrama pH- Potencial correspondiente al Fe. Diagrama de Pourbaix mostrando las zonas de Corrosión, Inmunidad y Pasivación del hierro a 25º C. Por encima de la línea (b) los potenciales son muy positivos , lo cual provoca la descomposición de las moléculas de agua cediendo electrones y acidificando el medio: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Entre las líneas (a) y (b) el agua es termodinámicamente estable Por debajo de la línea (a) los potenciales son muy negativos. Las moléculas de agua captan electrones y se descomponen desprendiéndose hidrógeno y alcalinizando el medio: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 262 Los diagramas de Pourbaix muestran las condiciones termodinámicas de estabilidad de las distintas especies que aparecen en el medio acuoso para un pH y E determinados, lo cual permite establecer tres tipos de zonas dentro del diagrama: a) Zonas de corrosión, aquellas en que el estado estable del metal es en forma de iones o de iones complejos, por tanto, el metal se corroe. b) Zonas de Pasividad: suponen la formación de un óxido o hidróxido que actúa como una barrera limitando el acceso de los agentes oxidantes a la superficie metálica. c) Zonas inmunidad donde el estado estable es el de metal no ionizado. Los números que aparecen a lo largo de las líneas del diagrama son el exponente de base 10 de la concentración molar de los iones metálicos. Por ejemplo, -6 significa una concentración molar de 10-6 (ion-g por litro), y 0 significa 100, es decir, molaridad (actividad) es igual a 1. Las líneas horizontales son gráficas de la ecuación Mn+ + ne- → M para diferentes concentraciones de iones en solución o disueltos, Cada línea horizontal representa el potencial del electrodo en equilibrio con la concentración iónica dada. Por ejemplo, si el electrolito contiene una concentración molar de Mn+ igual a 10-6, por debajo de la línea horizontal (de potencial) marcada como -6 el metal es inmune; por encima de ella, la forma estable es como ion y el metal se corroe. Las líneas continuas inclinadas son gráficas de la ecuación E = E0 + (RT/nF) ln (aH+)n = E0 - (2,303RT/F) pH. Las líneas verticales son reacciones en las que no se transfieren electrones, es decir, reacciones estrictamente químicas. Las dos líneas de rayas inclinadas representan el potencial de pH del agua e indican las regiones donde el hidrógeno, el agua y el oxígeno son estables. Criterio de Pourbaix: Pourbaix define la zona de inmunidad como aquella en que la actividad del ion metálico en el electrolito en contacto con el metal es inferior o igual a 10-6 molar. Aplicando el criterio de Pourbaix, en el diagrama pH-E anterior se deduce que, dentro de los pH habituales, conseguiríamos mantener a la estructura de Fe en la zona de inmunidad si mantenemos su potencial en un valor igual o inferior a -0, 62 voltios, respecto al electrodo de estándar de hidrógeno. En la figura siguiente se aprecia la equivalencia de este criterio expresado con referencia a otros electrodos normalmente utilizados. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 263 Observaciones: 1) El valor del potencial de protección de Pourbaix se deduce fácilmente determinando el potencial del Fe, respecto al electrodo normal de H2, cuando [Fe2+ ] = 10-6 molar (iones gramo /litro de disolución). Fe → Fe2+ + 2e- ; E0 = - 0,44 V (respecto al electrodo normal de H2 ) [Fe2+ ] = 10-6 molar E = E0 + 0,059/ n * log [Mn+] → E = -0.44 + 0,059/ 2 * log [10-6 ] = -0,44 –0,177 = - 0,617 Volts Éste es el voltaje que corresponde a la línea horizontal marcada con –6 en el diagrama de Pourbaix del hierro. 2) Los diagramas de Pourbaix se basan en la termodinámica, no contienen ninguna información relativa a la velocidad de las posibles reacciones, ni indican la eficacia de la película o barrera pasiva de óxido que pueda formarse. Sin olvidar estas limitaciones, los diagramas si reflejan lo que ocurre en condiciones de equilibrio cuando se sumerge un metal en ácido o en álcali, o cuando se impone cierto potencial al metal, como en la protección catódica. Señalar asimismo que las líneas corresponden a las especies o iones específicos que se muestran sobre el diagrama, ya que cuando el electrolito contiene otros iones, como sulfuros y cloruros, es necesario representar sus líneas características sobre el diagrama. 2) Determinación experimental del potencial de protección Se han llevado a cabo multitud de determinaciones experimentales directas (en el laboratorio y en aplicaciones prácticas concretas) de las velocidades de corrosión de metales expuestos a medios y condiciones diversas, al imponerles diversos valores de potencial. Ello ha permitido estimar los potenciales mínimos para una protección adecuada, potenciales que acostumbran a diferir poco para un mismo material metálico. En el cuadro siguiente se muestran los valores más significativos de los potenciales (en voltios) para protección catódica de diferentes metales y aleaciones en función del electrodo de referencia utilizado (*) Según experiencias realizadas, para la protección del aluminio contra la corrosión el potencial debe estar situado entre ambos límites. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 264 DENSIDAD DE CORRIENTE MÍNIMA (D.C. MIN.) PARA LA PROTECCIÓN CATÓDICA Si hemos determinado el potencial para el cual nuestra estructura va a estar protegida, el siguiente paso sería establecer la intensidad corriente eléctrica que debe aplicarse al metal para llevarlo al potencial de protección. La intensidad a aplicar será uno de los parámetros fundamentales que incidirán en el diseño y el coste operativo del sistema de protección. La intensidad necesaria para alcanzar el potencial de protección depende en gran medida de las condiciones del medio tales como temperatura, agitación, aireación, composición, etc., y del tipo de metal o aleación. Depende asimismo de la presencia de recubrimientos y su estado de conservación, existencia de capas calcáreas, vitrificados, etc. En la figura siguiente, utilizando como electrodo de referencia Cu/CuSO4, se muestran las curvas de polarización catódica en dos situaciones: (a) Tubería cubierta de herrumbre. (b) Tubería revestida de material bituminoso. Se observa que en (a) se consigue un potencial protector a partir de una densidad de corriente de unos 5 mA/m2 en tanto que en (b) éste se obtiene a partir de 1 mA/m2, aproximadamente. La determinación de la intensidad de protección suele realizarse experimentalmente. En la Tabla siguiente se recogen las densidades de corriente de protección para diversos metales en variadas condiciones del medio, lo cual sólo ha de considerarse una primera aproximación sobre la corriente continua (DC) mínima que debe aplicarse, puesto que cada caso concreto requiere un estudio minucioso “in situ” para su determinación exacta. Por ejemplo, para terrenos muy ácidos la D.C. mín. no serán 35 mA/m2, sino que se deberán alcanzar 100 a 150 mA/m2 para lograr reducir la corrosión del acero a niveles aceptables. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 265 Densidad de corriente (D.C.) para la protección catódicadel hierro y acero en variadas de servicio: condiciones Se analiza a continuación la influencia de los parámetros del medio soben la corriente de protección necesaria: 1) Temperatura La temperatura incrementa la velocidad de corrosión en soluciones aireadas en tanto no se. haga lo suficientemente elevada, para que el efecto de la disminución de la concentración de oxígeno en el agua llegue a contrarrestar y superar los efectos combinados de un aumento del coeficiente de difusión y de la velocidad de la reacción electroquímica de reducción del oxígeno, y de una disminución del espesor de la película de difusión. En las soluciones desaireadas los incrementos de temperatura motivan siempre un aumento de la velocidad de corrosión. En estas circunstancias, la temperatura favorecerá también la despolarización de la superficie del metal facilitando el alejamiento del hidrógeno gas producido catódicamente sobre ella. 2) Agitación. La agitación incrementa la velocidad de corrosión tal como podría esperarse de un fenómeno de difusión, a causa del adelgazamiento de la película de difusión. La agitación acelera el transporte de oxigeno a través de la masa de volumen y facilita la progresión del oxígeno a través de la capa de difusión. Como resultado, la agitación disminuye la pendiente de la curva de polarización catódica desplazando hacia la derecha el punto de corte de las curvas de polarización anódica y catódica. 3) Formación de depósitos calcáreos sobre la superficie a proteger. La formación de depósitos reduce apreciablemente la superficie metálica expuesta al medio corrosivo y, a su vez, la densidad de corriente mínima para la protección. Para soluciones aireadas esta reducción en la D.C. representa el 50-75 %; en cambio, con soluciones desaireadas, es bastante menos acusada, a menudo sólo del 25-40 %. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 266 4) El tiempo. Cuando se realiza una instalación de protección catódica, no se consigue el potencial de protección desde el mismo momento en que se hacen las conexiones, sino que tiene que transcurrir un cierto tiempo, que dependerá, entre otros factores, del número y calidad de los ánodos, lecho anódico y resistividad del suelo (en los casos de ánodos galvánicos); y del voltaje de salida, superficie de los ánodos, lecho anódico y resistividad del suelo (en los casos de corriente impresa). En la figura siguiente se observa como el potencial evoluciona en función del tiempo, hasta estabilizarse, según sea la D.C. aplicada Conviene no excederse en la D.C. aplicada, pues además de implicar un gasto innecesario de corriente y, por consiguiente, una pérdida económica, puede motivar el deterioro anticipado y desprendimiento de la película protectora de pintura. En el caso de aceros de alta resistencia mecánica puede suponer la fragilización de éstos por absorción de gas hidrógeno formado sobre el metal a D.C. elevada. Asimismo, una elevación del pH en las zonas catódicas, en el caso del aluminio (metal anfótero) puede destruir la pasividad y acelerar su corrosión de modo catastrófico. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 267 SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODOS DE SACRIFICIO El potencial y corriente de protección para un metal determinado pueden obtenerse uniendo el metal a proteger con otros metales mucho más activos (es decir, con otros metales que tengan mayor facilidad para ceder los electrones que demandan los agentes oxidantes del medio). Al unir un metal más noble con otro más activo se origina una celda galvánica donde el metal más activo actúa de ánodo, “sacrificándose” en beneficio del metal que se desea proteger y que actúa de cátodo. Los ánodos de sacrificio pueden ser considerarlos como fuentes de energía eléctrica portátiles, resultando particularmente útiles cuando no es posible disponer de una fuente de corriente continua (como es el caso de la protección catódica por corriente impresa), o cuando el tendido de una línea para tal aplicación hace antieconómica la protección catódica. En las figuras siguientes se muestran una representaciones esquemáticas de protección catódica por este método. Los e- van hacia potenciales crecientes Voltajes respecto al electrodo estándar de H2 E2 = E1 + IR E2 Para unas condiciones dadas de pH y [Fe2+] en el electrolito, el electrodo de sacrificio debe proporcionar la intensidad necesaria para que el potencial de la estructura metálica a proteger (E2) se halle n la zona de inmunidad del Fe en el diagrama de Pourbaix. E1 e- Pt H2 e- M + I = (E2 – E1) / R R H M 2+ 2e- Fe H2O Ánodo de sacrificio: En este electrodo tienen lugar las reacciones que generan electrones M → M2+ + 2e- Electrodo de un metal activo (cede fácilmente electrones) : Zn, Mg, Al 2+ Fe O2 H+ Disolución acuosa con O2 , Fe2+ , H+ (pH) Sobre la superficie metálica a proteger ocurren las reacciones de reducción (cátodo): las especies demandantes de electrones del electrolito captarían los electrones impulsados por la fuente, en lugar de los electrones de los átomos del hierro metálico, disolviéndolo. Las típicas reacciones de reducción que ocurrirían serían: O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH- ( O2 → OH- ) 2H+ + 2e- → H2 pH<4 (H+ → H2 ) O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O M n+ + ne → M Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 268 Condiciones que debe reunir un metal o aleación para que resulte adecuado su uso como ánodo de sacrificio: a) Su potencial de reducción debe ser de magnitud suficiente para aportar la intensidad necesaria que polarice el metal a proteger hasta el potencial de inmunidad, con la limitación de que un potencial demasiado negativo, originaría un excesivo paso de corriente y consumo innecesario de material anódico. b) Debe presentar una tendencia pequeña a la polarización, y no debe desarrollar películas pasivantes protectoras. c) Debe suministrar una corriente que se mantenga constante. d) La disolución del ánodo debe ser uniforme, repartiéndose el ataque por toda su superficie. e) Debe tener un elevado rendimiento eléctrico, expresado en amperes-hora por kg. de material (Ah/kg), es decir, ha de ser capaz de liberar una elevada cantidad de electrones aportándosela a los materiales oxidantes del medio, en lugar de que estos oxiden al metal a proteger. f) El metal debe ser de fácil adquisición y con un coste asumible para los objetivos de protección buscados. Aleaciones para Ánodos Las exigencias expuestas anteriormente remiten en la práctica al Zn, Al y Mg como materiales base para ánodos de sacrificio. Otros posibles candidatos, como los metales alcalinos (Li, Na, K) y los alcalinotérreos (Be, Ca, Sr), quedan descartados porque son demasiado activos y otros, como el cromo (Cr) y aluminio puro (Al), porque son fácilmente pasivables. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 269 1) Ánodos de cinc Los ánodos de cinc son el sistema de protección catódica galvánica más económico en el mercado, y los de mayor uso, hasta la actualidad, en agua de mar Como ánodo de sacrificio se utiliza masivamente, sobre todo para la realización de la protección catódica en agua de mar: buques, pantalanes, andenes marítimos, refuerzos metálicos, diques flotantes, boyas, plataformas petrolíferas, depósitos de agua, condensadores, etc. El potencial en circuito abierto del cinc frente al hierro puro en condiciones estándar es de sólo 0,76 – 0,44 = 0,32 voltios, por lo cual su empleo como ánodo de sacrificio es sólo factible en medios cuya resistividad sea inferior a 1000 Ω cm (suelos de baja resistividad, agua de mar, etc ) También debe cuidarse su utilización en presencia de aguas dulces a temperaturas por encima de 65 °C, ya que en estas condiciones puede invertir su polaridad y hacerse catódico con relación al acero, o en todo caso quedar pasivado por los carbonatos precipitados. Las aleaciones de cinc para la protección catódica contienen aluminio y silicio para evitar los efectos de las impurezas presentes en la aleación de cinc. Además se adiciona cadmio para facilitar la corrosión uniforme con productos derivados de corrosión no adherentes. Las aleaciones más utilizadas en la actualidad son las reguladas por las normas MIL, norteamericanas. Composición comercial típica de ánodos de zinc (aleación Zn-Al-Cd) Se puede considerar que el cinc como material anódico ha alcanzado prácticamente su limite de desarrollo, siendo en la actualidad desplazado gradualmente por aleaciones de aluminio de igual rendimiento de corriente (90 %), pero con la ventaja de poseer mayor suministro real de corriente y mejor equivalente electroquímico. 2) Ánodos de aluminio A pesar de sus atractivas características electroquímicas, el Al y sus aleaciones tienden a pasvarse en diversos electrólitos, debido a la formación de capas compactas de óxidos de aluminio sobre su superficie, por lo que su aplicación en la protección catódica ha estado más limitada que el cinc y el magnesio. Numerosas investigaciones realizadas, encaminadas a la búsqueda de nuevas aleaciones que no presentaran tal inconveniente, han dado como resultado que hoy día se disponga de diversas aleaciones útiles para protección catódica en variadas condiciones de servicio, siendo los elementos aleantes principales el Zn, Hg, Sn, In y Mg. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 270 Composición comercial típica de ánodos de aluminio Tanto a los ánodos de aluminio como a los de cinc se se les denomina de “bajo potencial”, para diferenciales de los ánodos de magnesio que por su elevado potencial de reducción se denominan ánodos de “alto potencial”. El estado actual de este material anódico cabe considerarlo como lejano todavía a su límite de desarrollo. Se utiliza cada vez más y como ha sido comentado anteriormente está desplazando al Zn en las aplicaciones en agua de mar. 3) Ánodos de magnesio El magnesio es el elemento utilizado en ánodos de sacrificio con mayor potencial de oxidación: ( SRPdel Mg: -1,87 volts; SRP del Fe : 0,44 volts) lo que implica una capacidad de proporcionar una densidad de corriente elevada, a costa de consumirse con gran rapidez. Su principal aplicación es en el caso de ánodos enterrados en suelos de resistividades intermedias (2000 a 10000 Ω cm). Para resistividades del terreno más elevadas suele ser preferible recurrir a sistemas de protección por corriente impresa. Otros importantes campos de aplicación son los acumuladores de agua caliente sanitaria aunque suele limitarse a depósitos pequeños y bien revestidos, y en la protección de cascos de barcos cuando se utiliza protección temporal mediante ánodos suspendidos, ya que se requieren pocos ánodos para una completa protección. Composición comercial típica de los ánodos de magnesio Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 271 El Mg presenta los siguientes inconvenientes como material anódico: a) Alto potencial de trabajo, lo que limita su empleo en medios muy conductores y donde se requiere que el potencial de protección no adquiera valores muy negativos (caso del casco de un buque). Para cumplir con tal requisito, se tendría que recurrir al control del potencial mediante tramos resistivos lo que complica extraordinariamente el diseño de protección. b) Gran tendencia a la autocorrosión, por formación de micropilas locales, y bajo rendimiento de corriente, aproximadamente el 50 %. Debido al primero de estos inconvenientes, ha disminuido su utilización para la protección de carenas de buques; la alta alcalinización del entorno del ánodo y desprendimiento de gas hidrógeno exige un reforzamiento del sistema de pintura en estas zonas. El peligro de explosión ha hecho igualmente declinar su uso en la protección interior de tanques de combustible. El magnesio sin alear no se puede utilizar en contacto con agua de mar ya que por el fenómeno citado de autocorrosión, el consumo del ánodo progresa a gran velocidad Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2 Predimensionamiento de una instalación mediante ánodos de sacrificio El predimensionamiento de una protección mediante ánodos de sacrificio requiere la determinación de los siguientes parámetros: 1. Densidad de corriente mínima para la protección catódica de la estructura (DC): En principio, adoptaremos el valor que aparece tabulado en el apartado 4 tratado anteriormente, en función del tipo de estructura, medio y condiciones de servicio en que se encuentra. 2. Intensidad total necesaria: I (Ampéreos) = DC (A/m2) * Superficie de la estructura (m2) I. 3. Cantidad de carga que ha de aportar el material anódico: Q (culombios) = I (A) * t (segundos) 4. Cantidad de material anódico consumido (kg) para aportar la carga Q (culombios). a) Nº de moles de electrones suministrados para aportar Q (culombs) Q (culombs) x 1mol e-/ 96500 C = Q /96500 mol de e- Nº de moles de material anódico que ha de disolverse para proporcionar Q /96500 mol de e-: si cada mol de material anódico que se disuelve libera n moles de electrones, se necesitan Q / (96500 x n ) mol de sustancia anódica. Si PA es el peso atómico del metal anódico: PA (g ánodo/mol ánodo): Q / (96500 x n ) mol * PA (g/mol) = PA*Q (96500 x n ) g de ánodo Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 272 Por tanto: Peso = PA*Q / (96500 x n ) = I*t * PA / (96500 x n ) g de ánodo. La fórmula anterior nos da el peso en gramos de material anódico (de PA g/mol) para aportar una corriente continua de protección de I amperios durante t segundos. Observando la expresión anterior, para minimizar la cantidad de kg de material anódico consumido, interesa que el valor PA/n (Nº de gramos de metal disuelto por mol de electrones aportado) sea lo menor posible. La relación PA/n se denomina “equivalente electroquímico “, y adopta los valores que se recogen en la siguiente tabla para los materiales más comúnmente utilizados como ánodos de sacrificio. Ered std (Volts) PA g/mol n mol e- /mol PA/n g/mol e-1,87 24,31 2 Mg 12,15 -1,67 26,98 3 Al 8,99 -0,76 65,37 2 Zn 32,68 5. Duración de los ánodos Los parámetros a considerar para determinar la vida o duración de un ánodo son: - Peso del los ánodo (kg) - Intensidad que suministra el ánodo (A) - Capacidad de corriente del ánodo, en A-h / kg de ánodo - Rendimiento El ánodo no está fabricado de metal activo puro. El valor de rendimiento expresa el porcentaje másico efectivo de metal activo. - Factor de utilización: suele adoptarse el 85%, ya que cuando sólo queda un 15% de peso del ánodo, deja de ser eficaz para mantener la intensidad de protección necesaria, debiendo sustituirse el ánodo. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 273 Para el diseño de una protección mediante ánodos de sacrificio pueden usarse las características físicas y electroquímicas que recogidas en el siguiente cuadro: Propiedades físicas y electroquímicas de los ánodos de Mg, Zn y Al 6. Número de Ánodos Nº de ánodos = Intensidad total necesaria / Intensidad por ánodo En el proyecto de una instalación de protección catódica por ánodos de sacrificio debe conseguirse que el reparto de las líneas de corriente sea uniforme sobre toda la estructura a proteger, lo cual puede presentar dificultades en medios de resistividad elevada o con estructuras de geometría complicada. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 274 EJEMPLO 1: Determinación de la Duración de un Ánodo Se trata de determinar la duración de un ánodo de Zn con las siguientes características. - Peso = 14 kg - Intensidad que suministra el ánodo = 0,1 A. - Capacidad de corriente del ánodo = 820 A-h / kg considerando 1 año = 8760 horas, la cantidad anterior es equivalente a 820 / 8760 = 0,094 A-año / kg - Rendimiento = 90 % - Factor de utilización: 0,85 Duración del ánodo = Duración = 0,094 (A-año/kg) x 14 kg x 0,90 x 0,85 / 0,1 A = 10,07 Años EJEMPLO 2: Determinación de la masa de ánodos de Mg necesaria para la protección de un tramo de tubería con las siguientes características: - Diámetro tubería: 1,00 m Longitud tubería: 300 m La tubería se halla enterrada en un suelo con bacterias sulforreductoras (sulfatorreductoras). Características de los ánodos de Mg: - Intensidad que suministra el ánodo = 0,3 A. - Capacidad de corriente del ánodo = 820 A-h / kg - Duración prevista para los ánodos: 10 años - Superficie de tubería a proteger: (3,1416 * 1,00) * 300 = 942,48 m2 - Densidad de corriente mínima para terreno con bacterias sulfatorreductoras: 450 mA / m2 (dato cuadro apartado 4) - Intensidad total de protección: 450 mA / m2 * 942,48 m2 = 424.116 mA = 424,116 A Instalación de los ánodos de sacrificio Si se enterrasen directamente los ánodos, a medida que va funcionando el sistema de protección catódica se formarán productos de corrosión sobre el ánodo y precipitación de hidróxidos alcalinotérreos sobre el cátodo, al sobrepasar el producto de solubilidad correspondiente. Paralelamente el electrolito se va empobreciendo en algunos iones conductores, con lo que la conductividad disminuye. Tanto en el ánodo como en el cátodo existirá. Ambos factores, polarización por concentración en el ánodo y cátodo y disminución de la conductividad del medio, son factores a tener en cuenta en el diseño de una instalación de protección catódica, con objeto de evitar que tras un período de funcionamiento resulte inoperante.. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 275 Para evitar los efectos anteriores sobre las zonas anódicas, se coloca alrededor del ánodo un medio químico artificial que suele denominarse "activador" o "backfill", con los siguientes objetivos: 1) Reducir la resistencia de contacto ánodo-suelo. 2) Estabilizar el potencial del ánodo y evitar la polarización y asegurando la constancia de la corriente de protección. 3) Evitar efectos negativos de los elementos del suelo sobre el ánodo; 4) Adsorción de la humedad del suelo para mantener una humedad permanente en torno al ánodo. 5) Mejorar el rendimiento, disminuyendo la corrosión espontánea y consiguiendo un desgaste homogéneo del ánodo. . Los productos utilizados en la composición del "activador o backfill", son por normalmente la arcilla ordinaria, la bentonita, el sulfato de calcio, la cal, el hidróxido de sodio, el dicromato de sodio, el cloruro de sodio, el sulfato de sodio, el de magnesio, etc. Los activadores pueden estar constituidos por un solo compuesto, pero lo más frecuente es que sean mezclas binarias o ternarias. Entre los productos citados, el yeso y la arcilla son los de uso más corriente por su eficacia, posiblemente en virtud de su capacidad para retener el agua. En la práctica, las mezclas de yeso y arcilla se realizan en las siguientes proporciones: a) arcilla 50 %- yeso 50 % b) arcilla 25%- yeso 75 % La utilización de mezcla activadora es fundamental en suelos de resistividades a partir de 2000 Ω cm. Esquema del montaje de un sistema de protección catódica de una tubería enterrada con un ánodo de sacrificio. La distancia mínima entre el ánodo y la tubería debe ser de 3 metros y deben utilizarse cables de conexión de bastante grosor para evitar las caídas de tensión. Hay que cuidar también muy particularmente la unión del cable con el alma de acero del ánodo. Este cable debe de estar siempre bien aislado evitando un consumo innecesario de corriente para lograr su protección. En la práctica los ánodos se pueden colocar en la estructura a proteger con distintos procedimientos, pero siempre con ayuda del alma que los atraviesa que suele ser redonda y de acero. Cuando van benterrados se introducen en una bolsa de tela y son rodeados por la mezcla activadora o backfill anteriormente descrita. 276 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua PROTECCION CATODICA POR CORRIENTE IMPRESA La técnica de protección catódica mediante ánodos de sacrificio presenta limitaciones relativas a la resistividad del medio agresivo, el coste y los potenciales de los ánodos de sacrificio. La protección catódica por corriente impresa, manteniendo el mismo principio fundamental que la técnica anterior, resuelve las limitaciones mencionadas ya que la corriente electrónica de protección es impulsada por una fuente externa de corriente continua, cuyo polo negativo se conecta al metal a proteger y el polo positivo a un ánodo auxiliar, cerrándose el circuito a través del electrolito, como se muestra en el siguiente esquema Nota: Como los electrones han de dirigirse hacia la estructura metálica a proteger, ésta debe estar conectada al polo negativo de la fuente, mientras que los ánodos han de estar conectados al polo positivo. Se aumentará la intensidad de la fuente hasta que el potencia E respecto al electrodo de referencia disminuya hasta el valor de protección. eFuente de Intensidad regulable Electrodo std de Hidrógeno E e Voltímetro - Pt H+ H2 + Fe e Fe2+ - O2 En este electrodo tienen lugar las reacciones que generan los electrones que serán impulsados por la fuente: 4 OH- →O2 + 2 H2O + 4 e- (1) 2C1- →C1 2 +2e- (oxidación Cl-) (2) M → M2+ + 2e- (3) En el suelo y aguas naturales suele ocurrir la reacción (1), en agua de mar pricipalmente la la reacción (2) La reacción (3) corresponde al caso de utilización de ánodos auxililares consumibles. H+ Disolución acuosa con O2 , Fe2+ , H+ (pH) La superficie metálica a proteger es el lugar donde tiene lugar la reducción: las especies demandantes de electrones de la disolución captarían los electrones impulsados por la fuente desde el ánodo auxiliar, en lugar de tomarlos de los átomos del metal a proteger, disolviéndolo. Las reacciones de reducción que ocurren normalmente son: O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH- (O2 → OH- ) pH<4 (H+ → H2) 2H+ + 2e- → H2 O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O M n+ + ne → M Los componentes de un sistema de protección catódica por corriente impresa son: a) Una fuente de corriente continua. b) Ánodo auxiliar c) Conductores electricos que conectan el borne negativo de la fuente a la estructura metálica a proteger y el polo positivo de la fuente con el ánodo auxiliar. d) Electrolito (medio agresivo) que cierra el circuito de protección, por conducción iónica. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 277 ÁNODOS AUXILIARES Hay dos tipos de ánodos auxiliares en los sistemas de corriente impresa: ánodos consumibles y ánodos inertes o “permanentes”. Todos estos ánodos van consumiéndose a mayor o menor velocidad con el paso de la corriente. Así, por ejemplo, la chatarra de hierro se consume muy rápidamente y el titanio platinado a un ritmo muy lento. A continuación se describen brevemente cada uno de estos electrodos. 1) Ánodos Consumibles En este caso el material anódico se disuelve durante el proceso de protección, tal como sucedía en la protección catódica por ánodos de sacrificio, por lo que tendrán que renovarse al cabo de cierto período de tiempo. Entre los ánodos consumibles el material más utilizado es el hierro o acero, usualmente chatarra, por ser lo más económico. Dentro de los perfiles es el carril viejo el más utilizado y, dentro de las fundiciones, la tubería. Puede ser aconsejable la utilización de este tipo de ánodos en terrenos de resistividad elevada, y es recomendable también que se le rodee de un relleno artificial constituido por carbón de coque (con un diámetro medio de partícula de 10 mm). El consumo medio de los lechos constituidos por perfiles de acero viene a ser de 5 kg/Aaño y de 8-10 kg/A-año para la tubería de fundición. 2) Ánodos Inertes o Permanentes Son aquellos que permiten el paso de corriente sin sufrir prácticamente desgaste, por lo que tienen una gran duración. Existe una gran variedad de ánodos permanentes: grafito, fundición de hierro al silicio (ferrosilicio), plomo y sus aleaciones, platino, oro, titanio platinado, niobio platinado, tántalo platinado, etc. El grafito, a pesar de considerársele como ánodo inerte, se consume lentamente debido a la formación de anhídrido carbónico. Tanto el grafito como los ferrosilicios tienen el inconveniente de su gran fragilidad. Por otra parte, el platino y el oro tienen una utilización restringida por motivos económicos. De mayor utilización son las aleaciones de plomo, siendo sin duda el material anódico más empleado el titanio platinado. El titanio, al actuar como rectificador, dificulta el paso de corriente, por lo que se recurre, a menudo, a chapearlo con platino (10 micrómetros de espesor). Los ánodos de titanio platinado son de gran resistencia y relativamente baratos. La velocidad de desgaste (consumo) del ánodo y la capacidad para el transporte de corriente son las dos características principales a la hora de elegir el material anódico; en la tabla siguiente se expone para diferentes materiales las máximas densidades de corriente de trabajo. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 278 Capacidad de transporte de corriente y consumo de diferentes ánodos de corriente impresa En el suelo o terreno se usa principalmente la aleación Fe-Cr-Si, mientras que en el agua de mar se tiende a utilizar ánodos inertes del tipo Ti/Pt o Ti/RuO2 (ánodos dimensionalmente estables). La elección de un ánodo no se hace solamente en base a su consumo o a la densidad de corriente que puede proporcionar; hay que tener en cuenta, además, sus propiedades de resistencia mecánica, su resistencia a la erosión (como en el caso de que sean utilizados en agua de mar, y sobre todo sumergidos en las inmediaciones del mar o en el fondo marino), su facilidad de instalación, el tiempo de sustitución e incluso su disponibilidad en el mercado. En el terreno, los ánodos pueden ser instalados en un lecho de bentonita o polvo de coque, lo cual crea un medio homogéneo, húmedo y de baja resistividad alrededor del ánodo, con lo que se aumenta su diámetro aparente y las dimensiones efectivas del ánodo, y se disminuye de esta forma la resistencia ánodo-suelo, se evitan los problemas de corrosión localizada que pueden romper el ánodo y reducir el consumo del material anódico. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 279 En el cuadro siguiente se resumen los parámetros y usos característicos de los ánodos auxiliares comúnmente utilizados: Ferrosilicio El ánodo de ferrosilicio es recomendable en terrenos de media y baja resistividad. Se coloca hincado o tumbado, en el suelo, y normalmente rodeado de un relleno de carbón de coque. A intensidades bajas de corrientes (1 A), su vida es prácticamente ilimitada, y su capacidad máxima de salida de corriente es de unos 12 a 15 A por ánodo. Su consumo oscila, a intensidades de corriente altas, entre 0,5 y 0,9 kg/A-año. Sus dimensiones más normales corresponden a 1 500 mm de longitud, 75 mm de diámetro. y su peso aproximado es de 60 kg. El ferrosilicio es muy frágil en virtud de su estructura cristalina, por lo que se ha de tener un extremo cuidado en su embalaje y transporte. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua Grafito El grafito puede utilizarse principalmente en terrenos de resistividad media, con un relleno de grafito o de carbón de coque. Este ánodo es frágil, por lo que su transporte y embalaje debe ser cuidadoso. Sus dimensiones varían: su longitud oscila entre 1 000 y 2 000 mm y su diámetro entre 60 y 100 mm. Son más ligeros de peso que los de ferrosilicio. La salida máxima de corriente que tienen estos ánodos es de 3 a 4 A por ánodo y su desgaste varía entre 0.5 y 1 kg/A-año. Titanio platinado El de titanio platinado es un ánodo especialmente indicado para instalaciones en agua de mar, aunque también es perfectamente utilizable en aguas dulces o incluso en suelos. Su característica más relevante es que con pequeños voltajes (12 V) se pueden sacar intensidades elevadas de corriente, y además, su desgaste es apenas perceptible. En el agua de mar tiene, sin embargo, algunas limitaciones con respecto a la tensión a la que se puede aplicar, la cual nunca puede pasar de 12 V, ya que las tensiones más elevadas podrían ocasionar que se despegara la capa de óxido de titanio y que, por tanto, se deteriorara el ánodo. En aguas dulces que no tengan cloruros estos ánodos pueden actuar a tensiones de 40-50 V. Su forma es diversa: pueden estar hechos en forma de una barra maciza, de tubo, chapa, alambre, etc. El platinado puede ser continuo o a intervalos, según las necesidades, y los espesores de platino pueden ser de 2.5 y 5 micras. La vida de los ánodos con 2.5 micras de espesor de platino se estima en 10 años aproximadamente y los de 5 micras duran entre 20 y 25 años. Su resistencia mecánica es pequeña, y por simple abrasión, como en los casos de buques que naveguen por zonas que tengan arena, puede suceder que el platino desaparezca y quede el ánodo pasivado instantáneamente, y resulte, por tanto, inservible. Es éste un caso extremo, que no suele suceder, pero al menos se tiene que saber que esto puede pasar. Tántalo platinado El ánodo de tántalo platinado es semejante al anterior, aunque tiene sobre aquél la ventaja de que en agua de mar puede trabajar a tensiones altas (50-60 V); sin embargo, su adquisición es menos fácil y su precio es más elevado. Dado que en agua de mar y a voltajes bajos se emplean grandes intensidades de corriente, el uso de este ánodo, en general, no se justifica del todo. Plomo-plata La aleación plomo plata está constituida por 1% de plata y una pequeña cantidad de antimonio. El peróxido de plomo que se forma al actuar anódicamente (que tiene el color del cacao) posee unas propiedades mucho más elevadas en virtud de los elementos de aleación que se traducen en un mejor funcionamiento y duración del electrodo. Se utiliza más frecuentemente en agua de mar, en donde la corriente máxima de salida no pueda ser superior a 270 A/m2. Se desgasta entre 50 y 200 g/A-año. Estos ánodos deben presentar una superficie plana, con lo cual se evitan en lo posible las aristas, pues en estas zonas la capa de peróxido de plomo se forma mal o no se forma, por lo que en estos puntos se puede presentar una corrosión fuerte. 280 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 281 Titanio-óxido de titanio y óxido de rutenio Estos ánodos están constituidos por una combinación de óxidos de titanio y de rutenio, que se adhieren a un soporte de titanio. Su máxima capacidad de corriente (1100 A/m2) lo coloca a la altura de los ánodos de titanio platinado, y su costo es, aproximadamente, 20% menor. Predimensionamiento de un Sistema de Protección Catódica El cálculo de un sistema de protección catódica con corriente impresa es relativamente más sencillo que el de ánodos galvánicos. De hecho, no es necesario optimizar las dimensiones y peso de los ánodos para garantizar por un lado el suministro de la corriente necesaria para la protección, y por el otro la duración de los ánodos elegidos. Una vez establecida la corriente total de protección, se elige el tipo de ánodo con base en los criterios examinados en el párrafo anterior y, teniendo en cuenta la densidad de corriente máxima que puede suministrar cada ánodo, se determina su número por exceso con respecto al teórico, para así poder obtener un mayor grado de confiabilidad. Todavía deberá tenerse en cuenta, para lograr una protección lo más económica posible, la optimización del número y dimensiones de los ánodos, en relación con la mayor o menor resistencia total que se determine, lo que se reflejará en la potencia del generador o fuente de corriente continua y en su costo de instalación. Para la protección de estructuras ya existentes en agua de mar (por ejemplo la protección de estructuras viejas, protegidas inicialmente con ánodos de sacrificio) la elección de pocos pero potentes ánodos remotos, o al revés, de muchos pequeños distribuidos sobre toda la estructura, puede llevar a grandes diferencias en el costo de instalación. La elección de instalar pocos ánodos resulta sin duda más económica, pero en este caso es necesario tener presente que si se instalan pocos ánodos el sistema pierde confiabilidad, pues si uno de los ánodos queda fuera de servicio, esto significará una pérdida de protección que puede oscilar entre 50 y 100%, lo cual no sucede cuando se colocan muchos ánodos pequeños distribuidos en toda la estructura. En la ubicación de los ánodos o del lecho anódico es muy importante conocer la posición de posibles estructuras que pudieran estar presentes en las vecindades, con objeto de evitar fenómenos de interferencia que puedan provocar ataques graves de corrosión. Por ejemplo, si se debe proteger una tubería que cruza a otra, disponiendo los ánodos como se indica en la figura siguiente, se interfiere la tubería extraña. Ésta, de hecho, representa el "camino" preferible (de menor resistencia) para la corriente suministrada por los ánodos. Aquella zona de la tubería extraña que recibe la corriente queda protegida catódicamente, mientras que en aquella de las cual sale la corriente, hay corrosión. Como la mayoría de la tuberías enterradas, está además protegida con algún tipo de recubrimiento aislante, la corriente está relacionada con algún defecto del recubrimiento, por lo cual la densidad de corriente local puede resultar muy elevada y por ahí producir un ataque particularmente severo. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 282 Ejemplo de interferencia provocada por una tubería extraña COMPARACIÓN ENTRE LOS SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA Las principales ventajas que se derivan del empleo de corriente impresa sobre la técnica de ánodos de sacrificio son las siguientes a) Es posible alcanzar, sin grandes dificultades, el potencial e intensidad de corriente de protección, aún en medios poco conductores. El sistema de protección por ánodos de sacrificio resulta viable sólo cuando la resistividad del medio no supera los 10000 Ω cm, a partir de este valor la experiencia indica que resulta más aconsejable la protección catódica mediante corriente impresa. b) Gran flexibilidad operacional. Es fácil el ajuste del potencial de protección, frene a condiciones cambiantes del medio, particularmente en el caso de los sistemas automáticos. c) Utilización de menor número de ánodos y con larga duración. Entre los inconvenientes de la protección por corriente impresa figuran: a) Costes de instalación más elevados, ya que se necesita una fuente externa de corriente. b) Posibilidad de causar interferencias con estructuras metálicas vecinas. c) Peligro de sobreprotección en zonas próximas a los ánodos (lo que obliga a la colocación de pantallas en estas zonas) y de un posible desajuste del sistema de corriente impresa. d) Exige tanto para su instalación como para los trabajos de inspección y mantenimiento la presencia de técnicos especializados en este sistema de protección. (Fallos en el aislamiento de los cables del polo positivo del generador de corriente pueden conducir a su rápida corrosión, fallos en la polaridad ocasionan severas corrosiones de la estructura que se desea proteger, etc.). En términos generales se puede afirmar que el método de corriente impresa es más conveniente que el de los ánodos de sacrificio cuando se tratan de proteger estructuras muy grandes o con una gran demanda de corriente y cuando la resistividad del medio es elevada, como es el caso de protección de las estructuras enterradas. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 283 LIMITACIONES Y EFECTOS SECUNDARIOS DE LA TÉCNICA DE PROTECCIÓN CATÓDICA Limitaciones principales de la técnica de protección catódica 1.Comparando las potenciales de equilibrio de la tabla siguiente, en los que, por definición, no progresa la disolución o corrosión metálica, con el intervalo de potencial para la estabilidad del agua representados en la figura inferior, se deduce que solamente en aquellos metales situados por encima de la línea divisoria se pueden alcanzar los potenciales de equilibrio por polarización catódica sin llegar a la descomposición electrolítica del agua. En el caso de los metales situados por debajo de la línea divisoria no es práctico pensar en términos de polarización catódica para llegar al potencial de equilibrio, pues la mayor parte de la corriente se invertirá en la descomposición del agua Intervalo de potencial para la estabilidad del agua en función del pHbajo una atmósfera de presión 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Con potenciales muy positivos, las moléculas de agua se descomponen y cediendo electrones. 2H2O + 2e- → H2 + 2OHCon potenciales muy positivos, las moléculas de agua absorben electrones y se descomponen. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 284 2. El método de protección catódica necesita que exista un medio electrolítico continuo entre ánodo y cátodo. Por ello, la técnica es aplicable únicamente a superficies metálicas en contacto con un volumen de electrolito que permita una buena distribución de la corriente eléctrica de protección sobre el metal. Lógicamente, la corriente catódica debe alcanzar a toda la superficie metálica a proteger. Por este motivo, el método podrá servir para la protección de metales sumergidos, enterrados, y en contacto con soluciones químicas diversas, pero no será utilizable con metales expuestos a la atmósfera, debido al insignificante volumen de electrolito depositados sobre ellos. 3. En medios altamente corrosivos, que requieren corrientes de protección excesivamente altas, por consideraciones económicas resulta inviable la aplicación del método de protección catódica. Por esta razón, siempre que resulte factible, se acude al sistema conjugado de protección: pintura + protección catódica. En este caso, la corriente de protección es solamente la necesaria para la protección de los fallos de la película de pintura, zonas sin recubrimientos, etc. 4. La distribución de corriente en muchas estructuras protegidas catódicamente no es uniforme. Este es el caso de ciertas estructuras en las que el flujo de corriente hacia determinadas zonas resulta insuficiente. En estas situaciones se consigue una mejor distribución de las líneas de corriente mediante el empleo de revestimientos aislantes, lo que obliga a la corriente protectora a fluir hacia las áreas metálicas accidentalmente desnudas. Algo similar sucede en las tuberías de conducción de aguas duras, donde, a causa de la formación de capas calcáreas (reducción de los requerimientos de corriente protectora) la distribución de corriente es más uniforme. Efectos secundarios de la protección catódica La aplicación de protección catódica puede dar lugar a ciertos efectos secundarios, tales como: a) Una alcalinización como consecuencia de la reacción catódica 2H2O + O2+ 4e- → 4OHLa reacción anterior puede causar deterioro de las pinturas. Este efecto puede minimizarse evitando la existencia de potenciales muy negativos y utilizando pinturas menos susceptibles a tal fenómeno. La alcalinidad del medio puede conducir también a la formación de depósitos calcáreos lo que, en el mejor de los casos, reduce los requerimientos de corriente de protección; sin embargo, una formación excesiva de tales depósitos puede conducir al bloqueo de una conducción. Los metales anfóteros, caso del aluminio y plomo, pueden corroerse en determinadas circunstancias como consecuencia de la alcalinización producida por la reacción catódica. b) Sobreprotección. Es preciso mantener bajo control el potencial del sistema con objeto de que no sea demasiado negativo en la zona catódica, ya que, aparte de ser un gasto superfluo de material anódico, el despredimiento de hidrógeno, que se verifica a potenciales fuertemente negativos,según la reacción: 2H2O + 2e- → H2+ 2OH-, desprender las películas de pintura de la superficie metálica, originar explosiones en recintos cerrados, crear fenómenos de fragilización del acero, e incluso, en algunos casos, se podría llegar a la fragilización por el hidrógeno de las estructuras de acero sobreprotegido catódicamente. c) Desprendimiento anódico de cloro en los sistemas de corriente impresa, trabajando en electrolitos clorurados, por oxidación del ion Cl-: 2C1- →C1 2 +2e- . Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 285 2.5.2 Protección Anódica La protección anódica se basa en el mismo que el anodizado del aluminio (la formación de una capa pasiva en la superficie del material). Por tanto, este método sólo es aplicable a metales susceptibles de pasivación. Entre los metales estructurales, la facilidad pasivación disminuye en el orden siguiente: Ti, Al, acero inoxidable, Ni, aceros al carbono y de baja aleación, cobre. La pasivación del titanio es tan fuerte, que el titanio se puede emplear en ambientes con cloruro, los cuales resultan intolerables para los aceros inoxidables y 1as aleaciones de aluminio. La formación de una capa pasiva consiste en conseguir que el material sea efectivamente anódico (es decir, en permitir que se corroa). De hecho, la corrosión es tan rápida que, cuando la corriente sobrepasa una densidad de corriente crítica, se forma la capa barrera de óxido pasivo en la superficie. Una vez que se ha formado la barrera de óxido, la corriente de corrosión decae abruptamente a un valor muy pequeño. En el caso del acero en ácido sulfúrico lN, la corriente crítica es de 0,2 A/ cm2 y la corriente de corrosión pasiva es de 7 µA/cm2, cinco órdenes magnitud menor que la corriente crítica. Debido a esta corriente tan pequeña, vemos que el material pasivado continúa sufriendo corrosión, aunque con extrema lentitud. Curva de polarización de un metal susceptible de protección anódica Zona de operación de la Protección Anódica Aunque desde hace tiempo se sabe que la pasividad es el mecanismo de protección contra la corrosión en el titanio, el aluminio y los aceros inoxidables, la aplicación de la protección anódica a otros sistemas se ha dado muy poco a poco. La aplicación más satisfactoria de la protección anódica ha sido la protección de recipientes de almacenamiento y tuberías de acero de bajo carbono para la fabricación y manipulación de ácido sulfúrico. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 286 3. CORROSIÓN Y PROTECCIÓN DE MATERIALES EN LAS INSTALACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUA 3.1 CORROSIÓN ATMOSFÉRICA Y PROTECCIÓN 3.2 CORROSIÓN ACUOSA Y PROTECCIÓN 3.3 CORROSIÓN Y PROTECCIÓN DE TUBERÍAS Y MATERIALES ENTERRADOS 3.1 Corrosión Atmosférica y Protección de Materiales en las Instalaciones de Tratamiento de Agua Se consideran los siguientes apartados: 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 AMBIENTES CON ATMÓSFERA “LIMPIA” AMBIENTES ATMÓSFERA CONTAMINADA RECUBRIMIENTOS PROTECTORES DESCRIPCIÓN GRÁFICA 3.1.1 AMBIENTES CON ATMÓSFERA “LÍMPIA” El calificativo de atmósfera “limpia” debe entenderse en el sentido de que no figuran en ella ningúna sustancia o agente que le confiera una especial agresividad. 1) Características ambientales 2) Mecanismos de Corrosión 3) Medidas para evitar la humedad ambiental 1) Características ambientales Pueden diferenciarse dos tipos de ambientes:: 1.a) Atmósfera no saturada de humedad En esta situación se encontrarían las instalaciones exteriores de los embalses y las estaciones de tratamiento, así como las instalaciones interiores en los recintos donde existen fuentes permanentes de humedad. 1.b) Atmósfera saturada de humedad Este tipo de ambiente se presenta normalmente en recintos que normalmente se hallan cerrados o con poca ventilación, y en cuyo interior existen aportaciones permanentes de Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 287 humedad como pequeñas fugas de agua, refrigeración de empaquetaduras de bombas, drenajes, etc.). La existencia de una atmósfera saturada de humedad asegura prácticamente la existencia de una película húmeda prácticamente permanente sobre las superficies metálicas, lo cual significa un significativo incremento en la velocidad de corrosión en comparación con el caso anterior ( vease la relación existente entre la velocidad de corrosión y el espersor de la película húmeda, en el apartado teórico de la corrosión atmosférica). La situación de atmósfera saturada de humedad aparece en las siguientes instalaciones: - En el interior de la presa en los embalses - En cámaras y arqusetas subterráneas o escasamente ventiladas: • Cámaras donde vierten las corrientes de purga de los decantadores y drenajes del terreno. • Arquetas de válvulas e instrumentación (caudalímetros, etc). • Salas de bombeo y preparación de reactivos, donde suele existir humedad ambiental permanente debido a pequeñas fugas, refrigeración de empaquetaduras de las bombas, cubas con agua para dilución de reactivos, etc. • Canaletas o túneles subterráneos con tuberías. 2) Mecanismos de Corrosión La corrosión metálica en este tipo de ambientes estaría caracterizada por las ecuaciones redox: - Reacción anódica (disolución del metal): M (s) → Mn+(ac) + ne- Reacción Catódica: O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH3) Medidas para evitar la humedad ambiental: En la figura siguiente se representan medidas relativamente sencillas para reducir el grado de humedad ambiental: Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 1. Recrecer el borde de la tapa sobre el terreno 288 1. Conducto de Ventilación A Sistema de Drenaje Bomba de Achique Conducto de Drenaje A Sistema de Drenaje 1) Recrecer el borde de la tapa sobre el terreno. Dado que los apoyos de las tapas de cierre de las arquetas no suelen ser estancos, conviene recrecer sobre el terreno el borde donde apoyan, lo cual evita en gran medida que penetre el agua superficial del terreno y el agua de lluvia. 2) Ventilación. Puede utilizarse un tubo en forma de “cacha” para que exista ventilación de la cámara sin que penetre el aire de lluvia. 3) Prever algún sistema de drenaje o achique. Para el agua que penetre en la cámara de válvulas, conductos de evacuación del agua o la instalación una bomba de achique mandada por unas sondas de nivel, para que funcione en caso de que se anegue el fondo de la arqueta Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 289 3.1.2 AMBIENTES CON ATMÓSFERA CONTAMINADA En las instalaciones relacionadas con el Tratamiento de Agua, los contaminantes atmosféricos fundamentales son: 1) Gases o vapores corrosivos. - Corrosión atmosférica debida a Cl2 (g) 2) Partículas: - Polvo de productos químicos usados para el Tratamiento de Agua. - Aerosoles de NaOH - Aerosoles de H2SO4 1) GASES O VAPORES CORROSIVOS Algunos reactivos utilizados para el tratamiento de agua conllevan que eventualmente se liberen gases o vapores corrosivos a la atmósfera donde se encuentran las instalaciones de almacenamiento, transporte o dosificación de los mismos. Genéricamente podrían establecerse dos casos: a) Aquellos reactivos que se encuentran almacenados en estado líquido a presión atmosférica, emitiendo vapores corrosivos en relación a su presión vapor a temperatura ambiente y que emiten vapores corrosivos, por ejemplo el ácido fluorsilícico. b) Reactivos que se hallan en estado líquido en un recipientes cerrados a presión, como es el caso del O2 y el Cl2. La presión en los recipientes de almacenamiento y líneas de transporte, que pueden llegar a unos 11 kg/cm2 para el caso del Cl2 y hasta unos 15 kg/cm2 en el caso del O2, conlleva la existencia ocasional de fugas hacia la atmósfera. Un procedimiento habitual para neutralizar los efectos de estos vapores corrosivos suele ser conducirlos hacia un reactor, tipo torre de absorción, donde el gas se pone en contacto con una disolución acuosa ocurriendo una reacción de absorción del gas por el líquido. El procedimiento anterior será tanto más eficaz cuanto mayor sea la reactividad del gas con la disolución acuosa de absorción; para conseguirlo se adicionan reactivos adecuados para la preparación de la disolución absorbente. En caso de que no existiese reacción química entre Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 290 el gas y la disolución absorbente la capacidad de absorción quedará límitada en el mejor de los casos al valor de solubilidad del gas en esta disolución, que suele ser muy reducido. 1.1) Corrosión atmosférica debida a Cl2 (g) La corrosión por cloro es el caso más importante de corrosión atmosférica en las instalaciones de tratamiento de agua que consideramos en este trabajo. El Cl2 (g) se halla almacenado en botellas o contenedores de hasta 1000 kg de capacidad. En el interior de estos recipientes de almacenamiento se puede considerar que existe un equilibrio entre cloro líquido y cloro gaseoso a una presión, determinada por la temperatura ambiental, que habitualmente se halla entre 6 y 10 kg/cm2. Las circunstancias típicas por las que ocurren fugas de Cl2 (g) hacia la atmósfera son las siguientes: - Pequeños desajustes en las conexiones roscadas. - Operaciones de conexión y desconexión cuando se realiza el cambio de un contenedor agotado. - Obstrucciones en las líneas de transporte, que habitualmente conllevan operaciones de desgasado para su reparación. - Fugas en las líneas de transporte de cloro hacia los puntos de dosificación. El cloro suele transportarse en una corriente de agua sobresatrurada de cloro, pudiendo ocurrir fugas por roturas o defectos en la estanqueidd de las líneas de transporte . Este último tipo de de fugas se produce frecuentemente por fallos en las uniones de codos o manguitos. Hay que tener en cuenta que el cloro húmedo ataca a casi todos los productos orgánicos, salvo algunas excepciones como es el PTFE (Teflón). El material de transporte del cloro en solución acuosa suelen ser tuberías de PVC, cuya resistencia química y espesor hacen improbable un fallo de las mismas en tramos rectos. En cambio, en los puntos de cambio de dirección u otros puntos de conexión, no sólo existen mayores esfuerzos mecánicos sino que además el propio pegamento del PVC que constituye las uniones de los codos u otros accesorios, será atacado por el cloro húmedo, provocando el origen de una fuga. La existencia simultánea de una película de humedad condensada sobre la superficie de los metales (soportes de tuberías, chapas usadas como carcasas, etc) junto con Cl2 (g) fugado alambiente, provoca la acidificación de la película de humedad condensada como muestran las siguientes reacciones: Cl2 (g) + H2O ↔ HClO (ac) + H+(ac) + Cl-(ac) (1) HClO (ac) ↔ H+ (ac)+ ClO- (ac) (2) Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 291 Las reacciones anteriores conllevan la aparición de dos hechos muy significativos desde el punto de vista de la corrosión: - Presencia del anión cloruro ClAcidificación del medio : disminución del pH debido a la generación de H+ El anión Cl- es un anión despasivante y despolarizante del proceso anódico. Cuando se trata de materiales metálicos pasivables, la presencia de este anión aumenta la velocidad de corrosión generalizada, además de propiciar fenómenos de ataque local por picadura dada su facilidad para romper localmente la película pasiva. La acidficación del medio favorece la disolución de capas protectoras constituidas por productos oxidados, propiciando los siguientes efectos: a) Despolarización anódica, es decir, contribuye a facilitar la disolución del catión ( Fe → Fe2+ + 2e- ) b) Aumenta la conductividad del electrolito (disminución de fenómenos de polarización de resistencia). Por lo que respecta al proceso catódico la influencia del anión Cl- es prácticamente nula, sin embargo, el aumento de acidez puede llegar a provocar que la reacción de reducción sea: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O El efecto del HCl tiene que ver fundamentalmente con el aumento de acidez del electrolito en contacto con el metal que puede alcanzar un pH inferior a 4 y los consiguientes fenómenos de despolarización anódica, de resistencia sobtre todo, en este último caso, teniendo en cuenta que la reacción catódica podría llegar a ser prioritariamente la reducción de protones. La disolución acuosa del Cl2 (g) introduce en el medio otros agentes oxidantes, cuyos procesos de reducción se muestran en las siguientes ecuaciones redox: 1. Cl2 + 2e- ↔ 2Cl- ↔ Cl- + H2O ; 3. ClO− + H2O + 2e- ↔ Cl- + 2OH2. HClO + H+ + 2e- Instalaciones afectadas por la corrosión atmosférica con cloro gas: - Sala de regulación de la dosificación de cloro: Las fugas de cloro al ambiente suponen un intenso ataque corrosivo sobre los metales que se hallan en las salas de dosificación de cloro (donde se regula la cantidad de cloro a dosificar y se realiza la mezcla con el agua de transporte) ya que en estos recintos concurre la existencia de pequeñas fugaas de cloro con una cierta humedad ambiental procedente asimismo de pequeñas fugas en las conducciones de agua de agua de transporte. En las salas de almacenamiento de los contenedores de cloro, aunque son frecuentes pequeñas fugas de cloro, su efecto es menos intenso debido a la limitada humedad ambiental. - Puntos donde se aplica la dosificación acuosa de transporte de cloro (sobresaturada) en la corriente de agua a tratar. Este podría ser el caso de la dosificación del tratamiento de postcloración en la sala donde se encuentra la canal colectora de agua de salida de los filtros de arena. Debido a la sobresaturación en cloro de la corriente de dosificación, ocurre una liberación Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 292 notable de Cl2 (g) a la atmósfera en los puntos donde entra en contacto con la corriente de agua a tratar, incluso aunque el punto de aplicación se encuentre por debajo de la lámina de agua. Liberación de Cl2 (g) a la atmósfera Agua de transporte sobresaturada de Cl2 (g) Corriente de agua a tratar con Cl2 La atmósfera de la sala donde se libera el cloro está prácticamente saturada de humedad, especialmente cuanto menor es la temperatura ambiental, lo cual viene a asegurar prácticamente la existencia de una película acuosa sobre las superficies metálicas, cuya capacidad corrosiva está muy favorecida por la existencia del cloro ambiental. En una instalación donde se daban las circunstancias anteriores, se observaron los siguentes fenómenos corrosivos: - Acusada corrosión por picaduras de los materiales metálicos existentes en la sala de acero inox. AISI 304, así como intensa corrosión en las compuertas de acero al carbono recubiertas de resina epoxi (en aquellos puntos donde había fallado el recubrimiento). - Corrosión intensa de la aparamenta existente en el interior de los cuadros eléctricos: Elementos de maniobra y protección (contactores, relés, interruptores magnetotérmicos, diferenciales, etc.), apreciándose una considerable acumulación de óxido en los contactos de cobre. Ello provocaba peligrosas anomalías en la operación de los equipos y fue necesario sustituir de forma casi completa los cuadros eléctricos generales y los individuales existentes en cada uno de los filtros. Para paliar los fenómenos anteriormente descritos pueden aplicarse medidas las siguientes medidas: - Cubrir la canal de agua a tratar, donde se inyecta la disolución sobresaturada en cloro, lo cual disminuye notablemente la fuga de cloro gas hacia el ambiente. - Uso de materiales más resistentes a los cloruros: a) En lugar de AISI 304 conviene utilizar acero inox. AISI 316 u otros aceros inoxidables austeníticos con mayor contenido en Molibdeno por su resistencia a la corrosión por picaduras que propician los Cl-. b) Recubrimiento del acero al carbono con materiales resistentes a la agresividad química del ambiente (epoxi, poliuretano). c) Uso de materiales plásticos: PVC, resinas de poliéster, etc Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 293 De las tres posibilidades anteriores y ayudándonos de la experiencia, una buena opción sería usar aceros inoxidables austeníticos con resistencia a cloruros (AISI 3I6 /L) para aquellos casos en que, fundamentalmente por razones de resistencia mecánica, sea conveniente el empleo de un material metálico, por ejemplo para la fabricación de compuertas que abren o cierran el paso a grandes conducciones de agua. El recubrimiento de acero al carbono con resina epoxi es una interesante posibilidad a considerar, pero habría que tener presente que si el recubrimiento no está bien ejecutado, en aquellos puntos donde la estructura metálica queda al descubierto se produce una corrosión muy intensa. Existen estructuras, cuyos requerimientos mecánicos no son excesivamente altos y pueden fabricarse con materiales plásticos, como el poliéster reforzado con fibra de vidrio: el uso de conducciones y otras estructuras de este material ha proporcionado un excelente resultado. e) Evitar la entrada de atmósferas húmedas con cloro en los cuadros eléctricos y de instrumentación (autómatas programables, etc.). Ello se puede conseguir mejorando la estanqueidad del cierres en las puertas de los cuadros utilizando asientos de elastómeros. Para la protección de instrumentación especialmente delicada, por ejemplo autómatas programables que gobiernan la operación de un proceso, se pueden introducir en el interior de un cofre al que se inyecta aire limpio con una ligera sobrepresión que impide la entrada de la atmósfera contaminada. Las medidas anteriores de protección contra la corrosión, se muestran gráficamente en el apartado 3.1.4. 1.2) Contaminación por partículas: aerosoles y partículas de polvo de sustancias químicas utilizadas en el Tratamiento de Agua. a) Partículas de polvo de productos químicos: b) Aerosoles de NaOH c) Aerosoles de H2SO4 a) Partículas de polvo de productos químicos: Algunos reactivos utilizados en el tratamiento de agua, como los polielectros y el Ca(OH)2, se almacenan y manipulan en forma de polvo que puede liberarse al ambiente. - El Ca(OH)2 en polvo que eventualmente se deposite sobre las superficies metálicas crearía un medio de elevada alcalinidad localmente, que sería agresivo para los metales anfóteros como el Al o el Zn (usado en los galvanizados). - El polvo de los polielectrolitos, al depositarse eventualmente sobre la superficie de los metales y entrar en contacto con un medio acuosos, provocaría un aumento de la conductividad, que en alguna medida favorece el proceso de corrosión. No altera prácticamente el pH ni es despasivante, por lo que su capacidad corrosiva es muy limitada. Medidas que pueden adoptarse para evitar la presencia de polvo en la atmósfera: - Líneas de transporte en depresión, mediante aspiración. Filtros para separar el polvo del aire de transporte Lavadores de gases. Consisten en unas “duchas”de gotas de agua en contracorriente del aire que lleva las partículas de polvo en suspensión. Gran parte de las partículas de polvo impactan y quedan retenidas en las gotas de agua que caen, al mismo tiempo que el aire va ascendiendo a contracorriente y limpiándose. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 294 b) Aerosoles de NaOH Los aerosoles de NaOH se vierten ocasionalmente a la atmósfera como consecuencia de un deficiente funcionamiento del separador de gotas existente en las torres de absorción de fugas de cloro con NaOH. El efecto de estos aerosoles puede notarse especialmente sobre los metales de caracter anfótero sobre los que se depositan, como es el caso de las superficies galvanizadas (Zn) existentes en las inmediaciones de las torres de absorción. c) Aerosoles de H2SO4 Las disoluciones acuosas de Sulfato de Aluminio (Al2(SO4)3 · 18 H2O), utilizado como reactivo para clarificación del agua, dan lugar a la aparición de H2SO4 según pone de manifiesto la reacción: Al2(SO4)3 + 6H2O → 2Al(OH)3 + 6H+ + 3SO42- La formación de aerosoles corrosivos de H2SO4 tendría lugar en el interior de los silos de almacenamiento de las disoluciones acuosas de Sulfato de Aluminio (Al2(SO4)3 · 18 H2O), siempre y cuando el chorro de llenado con la disolución esté por encima del nivel de la disolución existente en el silo. Los aerosoles formados saldrían al ambiente exterior a través de los venteos de los silos de almacenamiento. El alcance de los daños corrosivos que sean atribuibles a estos aerosoles es muy restringido en las instalaciones que consideramos. A continuación se describen sus efectos. El H2SO4 que es un electrolito fuerte que eleva la conductividad y baja el pH de las películas acuosa que eventualmente se encuentren sobre las superficies metálicas. Las reacciones de corrosión del Fe y acero por ácido sulfúrico son las siguientes: 2H2SO4 + 2Fe + O2 → 2FeSO4 + 2 H2O 2FeSO4 + 1/2O2 + 3 H2O → 2FeOOH + 2H2SO4. Obsérvese que el ácido se regenera en la segunda reacción, continuando el ataque. El producto básico de la corrosión es α-FeOOH (goetita). Además suele formarse α-Fe2O3· H2O como consecuencia de la oxidación de parte del Fe2+ a Fe3+ en presencia de O2. Como consecuencia de ello la herrumbre formada sobre el acero está constituida básicamente por αFeO-OH y α-Fe2O3· H2O (goetita-hematites). Las reacciones de corrosión de un metal no férreo por ácido sulfúrico serían, para el caso de un metal divalente: a) En ácidos desaireados M + H2SO4 ↔ MSO4 + H2 b) En ácidos aireados, la reacción de reducción sería M → M2+ + 2eO2 + 2H2O + 4e- → 4 OHComo reacciones secundarias: M2+ + 2OH- → M(OH)2 El producto de corrosión final, relativamente protector está constituido por xMSO4 y M(OH)2. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 295 La consecuencia de las diferencias entre los dos mecanismos para los metales férreos y no férreos es que el acero no puede utilizarse en atmósferas contaminadas con aerosoles de H2SO4 sin un sistema de protección (fundamentalmente un revestimiento), mientras que metales como el Zn, Al, Cu no requieren en general protección adicional ya los productos de corrosión crean una capa protectora mientras que en el caso de los materiales férreos se regenera el ácido, que continuaría el ataque. 3.1.3 RECUBRIMIENTOS PROTECTORES 1) PREPARACIÓN DE LA SUPERFICIE METÁLICA Comprende las siguientes operaciones: - Limpieza de óxidos y suciedad. - Desengrasado mediante disolventes. - Lavado. - Se eliminará la escoria de soldadura y se esmerilarán los bordes ásperos. - Chorreado a metal blanco, grado SA-2 1/2según norma SIS- 055900. El tipo de abrasivo a utilizar será arena gruesa o granalla, para obtener una altura máxima del perfil (rugosidad) en el rango 50-75 µm, no debiendo utilizarse el chorreo húmedo, salvo autorización expresa. 2) SISTEMAS DE PINTURA PARA PROTECCIÓN FRENTE A LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA Se consideran los siguientes casos: 2.1) 2.2) 2.3) 2.4) 2.5) EXPOSICION ATMOSFERICA NO ESPECIALMENTE AGRESIVA EXPOSICION A ATMÓSFERA ÁCIDA EXPOSICION A ATMOSFERA ALCALINA GALVANIZADO EN CALIENTE DE TUBERÍAS Y SOPORTES RECUBRIMIENTO DE VÁLVULAS 2.1) EXPOSICION ATMOSFERICA NO ESPECIALMENTE AGRESIVA En este apartado se considera la pintura de protección frente a la corrosión atmosférica de superficies metálicas en ambientes no especialmente agresivos, por ejemplo: - Estructuras metálicas expuestas al ambiente exterior. - Superficies metálicas exteriores de máquinas, cuadros, válvulas, tuberías, tanques o depósitos y otras estructuras metálicas situadas en el interior de salas con atmósferas no contaminadas significativamente con polvo o gases corrosivos. Se proponen, como referencia, los siguientes esquemas de pintura: Esquema 1: - Capa de pintura de imprimación: epoxi poliamida, de 35 a 40 micras de espesor. - Capa intermedia: epoxi poliamida de 60 micras de espesor. - Capa de terminación de poliuretano alifático de dos componentes de 30 a 40 micras de espesor de película seca. - Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 296 Esquema 2: - Capa de imprimación: epoxi - cinc, con un espesor de 35 a 40 micras. - Capa gruesa intermedia de epoxi - poliamida, de 60 a 75 micras. - Acabado en poliuretano alifático: 2 capas de 30 a 40 micras cada una. Esquema 3: - Imprimación inorgánica de zinc. 1 capa 75 µm. - Epoxi de dos componentes. 1 capa 125 µm. - Poliuretano acrílico alifático de dos componentes. 1 capa 50 µm. En ambientes con elevada humedad ambiental, también puede aplicarse el siguiente esquema: Esquema 4: Cuatro capas de pintura al clorocaucho, de 35 micras de espesor por capa. - Dos primeras capas de imprimación clorocaucho fosfato de zinc. - Dos capas de acabado clorocaucho 2.2) EXPOSICION A ATMÓSFERA ÁCIDA En este apartado se considera la protección frente a atmósferas que originan condensaciones ácidas sobre las superficies metálicas. Esta situación ocurre en aquellas instalaciones donde existen gases o vapores ácidos, como puede ocurrir debido a pequeñas fugas de gases en el almacén de cloro, sala de evaporadores, sala de cloradores, sala de absorción de fugas de cloro, sala de almacenamiento y dosificación de ácido fluorsilícico y sala de dosificación de la postcloración. Para hacer frente a este tipo de corrosión se proponen los siguientes esquemas de pintura: Esquema 1: - Capa de imprimación: epoxi de 50 micras. - Epoxi sin disolvente: 2 capas de 250 micras cada una. Esquema 2: - Capa de imprimación: resina epoxi-fenólica, con 200 micras de espesor. - Resina epoxi-fenólica: 2 capas de 200 micras cada una. (cada capa de un color) 2.3) EXPOSICION A ATMOSFERA ALCALINA En este apartado se incluyen los elementos metálicos ubicados en la sala de preparación de la lechada de cal y el decantador- saturador. Se proponen los siguientes esquemas de pintura: Esquema 1: - Capa de imprimación: epoxi de 50 micras. - Epoxi sin disolvente: 2 capas de 250 micras cada una. Esquema 2: - Resina epoxi curada con aminas: 2 capas de 200 micras cada una. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 297 2.4) GALVANIZADO EN CALIENTE DE TUBERÍAS Y SOPORTES El galvanizado se realizará en caliente, previo decapado de las piezas a galvanizar estará de acuerdo con la norma UNE 37-508-88. El lingote de zinc estará de acuerdo con la norma UNE-37301. Se aplicarán entre 200 a 550 gramos de zinc por m2 de superficie a galvanizar, en función del espesor medio (2 a 10 mm). Se comprobarán el aspecto superficial, adherencia y peso por unidad de superficie, s/UNE 37.501. 2.5) RECUBRIMIENTO DE VÁLVULAS Las válvulas de fundición y de acero al carbono deben ir revestidas tanto exterior como interiormente con un recubrimiento anticorrosivo, de uso alimentario. El recubrimiento consiste normalmente en una capa de resina epoxy de 50 µm de espesor, aplicado sin uso de disolventes, por ejemplo mediante empolvado epoxi por procedimiento electrostático. La aplicación de un recubrimiento del tipo mencionado, consta de las siguientes etapas: 1. Limpieza superficial 2. Granallado : Sa 2,5 s/ISO 8501 3. Precalentamiento 4. Aplicación del polvo 5. Curado. 3.1.4 DESCRIPCIÓN GRÁFICA En las láminas siguientes se muestran gráficamente los procedimientos de protección descritos en el apartado anterior. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MEDIDAS PARA COMBATIR LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA: ACCIONES SOBRE EL AMBIENTE 1. EVITAR QUE LA ATMÓSFERA PERMANEZCA SATURADA DE HUMEDAD 1. Recrecer el borde de la tapa sobre el terreno 4. Bomba de Achique 2. Conducto de Ventilación 3. Conducto de Drenaje 298 299 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MEDIDAS PARA COMBATIR LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA: ACCIONES SOBRE EL AMBIENTE 2. EVITAR POLVO Y SUCIEDAD SOBRE LAS SUPERFICIES METÁLICAS Polvo de Ca(OH)2 Partículas y suciedad ambiental depositada sobre las compuertas 3. EVITAR LA FUGA DE GASES O VAPORES CORROSIVOS A LA ATMÓSFERA Agua de transporte sobresaturada de Cl2 (g) Liberación de Cl2 (g) a la atmósfera Tubería de dosificación de cloro Corriente de agua a tratar con Cl2 La colocación de una tapa sobre las canalizaciones de agua clorada evita en gran medida la liberación de cloro gas al ambiente. Al reaccionar el cloro con la película de agua condensada sobre las superfices metálicas se origina un medio ácido con cloruros que ataca intensamente la superficie metálica. Cl2 (g) + H2O ↔ HClO (ac) + H+(ac) + Cl-(ac) Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MEDIDAS PARA COMBATIR LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA: 4. NEUTRALIZACIÓN DE GASES CORROSIVOS Venteo de Vapores Corrosivos a Sistema de Absorción Torre de Aborción Liberración de Cl2 y aerosoles de NaOH por eventuales averías 300 301 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MEDIDAS PARA COMBATIR LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA: 5. LAVADO DE GASES: ELIMACIÓN DE POLVO CONTAMINANTE Liberación de polvo de Ca(OH)2 por el venteo de la cuba Inyección de agua (ducha) para evitar la salida de polvo de Ca(OH)2 Cuba para preparación de Lechadas de Ca(OH)2 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MEDIDAS PARA COMBATIR LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA: 6. UTILIZACIÓN DE MATERIALES MÁS RESISTENTES A LOS MEDIOS AGRESIVOS Utilización de conductos y tuberías de PRFV en lugar de acero en atmósferas agresivas TUBERÍAS METÁLICAS SUSTITUIDAS A CONSECUENCIA DE NUMEROSAS PICADURAS SURGIDAS EN AMBIENTE SATURADO DE HUMEDAD AGRAVADO POR LA PRESENCIA DE CLORO GAS, LIBERADO EN LOS PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUA 302 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MEDIDAS PARA COMBATIR LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA: ACCIONES SOBRE EL AMBIENTE 7. ALOJAR LA APARAMENTA ELÉCTRICA Y DE CONTROL EN ARMARIOS ESTANCOS Elastómeros en las juntas para conseguir la estanqueidad de los cierres Aparamenta eléctrica oxidada debido a un ambiente agresivo Inyección de aire limpio a presión en el cofret de los autómatas de control para su refrigeración Alojamiento de los autómatas de control en cofrets estancos 303 304 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MEDIDAS PARA COMBATIR LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA 8. OPCIONES BÁSICAS EN RECUBRIMIENTSOS Y MATERIALES RECUBRIMIENTOS ORGÁNICOS (PINTURAS) RECUBRIMIENTOS METÁLICOS GALVANIZADO EN CALIENTE ESQUEMA DE PINTURA Acabado Poliuretano alifatico 30 – 40 µm Intermedia Epoxi - poliamida 60 µm Imprimación Epoxi - poliamida 35 – 40 µm - Galvanizado por inmersión baño de Zinc. Se aplicarán entre 200 a 550 gramos de zinc por m2 de superficie a galvanizar, en función del espesor medio (2 a 10 mm). - PREPARACIÓN DE LA SUPERFICIE Decapado ácido en caliente. Acero Inoxidable Aisi 304 /L – 316/L ACERO PREPARACIÓN DEL SOPORTE - Limpieza de óxidos y suciedad. - Desengrasado mediante disolventes. - Lavado. -Eliminación de la escoria de soldadura y esmerilado de bordes ásperos. -Chorreado a metal blanco, grado SA-2 ½ CROMADO DURO (30 µm ) Aleaciones de Cu 305 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua APLIACIONES DEL GALVANIZADO Conducciones de Transporte de agua Conducciones de aire comprimido Tramex sobre las canalizaciones de agua Calderín Hidroneumático Chapa ondulada Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua PROPIEDADES DEL GALVANIZADO Vida media probable y los márgenes de oscilación, para cuatro atmósferas tipo en función de la masa del recubrimiento de galvanizado. Exposición del Galvanizado a Medios Acuosos. Efecto del pH Influencia de la temperatura en la corrosión del cinc (en agua destilada) . 306 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua CORROSIÓN DEL GALVANIZADO Corrosión de un tramex galvanizado en el interior de un depósitoc de agua potable Corrosión externa de una tubería galvanizada en contacto con aguas de proceso (pH 8,0 a 9,0) Calderín galvanizado sobre el que se ha depositado polovo de Ca(OH)2 en una atmósfera saturada de humedad Galvanizado + Pintura ( Sistema dúplex) Se puede pintar el galvanizado, aumentando la resistencia a la corrosión atmosférica, pero se debe imprimar la superficie galvanizada siguiendo las instrucciónes del fabricante de la pintura Alteración del galvanizado del báculo de una farola por los efectos de neblinas de NaOH 307 308 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MEDIDAS PARA COMBATIR LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA: RECUBRIMIENTOS DE PROTECCIÓN FRENTE A ATMÓSFERAS AGRESIVAS ATMÓSFERA ALCALINA ATMÓSFERA ÁCIDA Poliester ESQUEMA DE PINTURA ATMÓSFERA ÁCIDA ESQUEMA DE PINTURA ATMÓSFERA ALCALINA Final: Epoxi - fenólica 200 µm Final: Epoxi sin disolvente 200 µm Int: Epoxi - fenólica 200 µm Inter.: Epoxi sin disolvente 200 µm Impr: Epoxi - fenólica 200 µm Impr: Epoxi 50 µm ACERO PREPARACIÓN DEL SOPORTE - Limpieza de óxidos y suciedad. - Chorreado a metal blanco, grado SA-2 ½ ACERO Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN ATMOSFÉRICA: RECUBRIMIENTO DE METALES EN ATMÓSFERAS LÍMPIAS PINTURA DE SUPERFICIES METÁLICAS ( VALLAS, PUERTAS, ESCALERAS..) ESQUEMA DE PINTURA Esmalte Glicero ftálico PREPARACIÓN DEL SOPORTE - Limpieza de óxidos y suciedad. - Chorreado a metal blanco, grado SA-2 ½ Impr antioxidante ACERO ASPECTO DEL ACERO AL CARBONO SIN RECUBRIMIENTO EXPUESTO A LA ATMÓSFERA 309 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 310 3.2 Corrosión Acuosa y Protección de Materiales en las Instalaciones de Tratamiento de Agua Se consideran los siguientes ambientes corrosivos: 3.2.1 AGUA DESTINADA CONSUMO HUMANO 3.2.2 AGUAS RESIDUALES 3.2.3 DISOLUCIONES ACUOSAS DE REACTIVOS PARA TRATAMIENTO DE AGUA 3.2.1 CORROSIÓN EN LAS INSTALACIONES DE AGUA DESTINADA AL CONSUMO HUMANO El agua destinada a consumo humano tiene su origen en el es agua de lluvia, que es acumulada en embalses, para ser posteriormente conducida mediante el sistema de aducción (canalizaciones y bombeos) hasta la Estacion de Tratamiento de Agua Potable (ETAP) desde donde se distribuye a los consumidores. Se consideran los siguientes apartados: 1) CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DEL AGUA 2) MECANISMOS DE CORROSIÓN 3) FACTORES QUE DETERMINAN LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN 4) PROTECCIÓN FRENTE A LA CORROSIÓN 1) CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DEL AGUA 1.a) AGUA DE LOS EMBALSES Por las peculiaridades de la cuenca de los embalses (sustancias que puede aportar el terreno al agua) así como por las propias limitaciones que debe verificar el agua está destinada al consumo humano, su grado de contaminación (agresividad) es bajo. Los parámetros característicos del agua embalsada varían según la época del año y la profundidad de la captación, pero casi siempre se hallarán en los rangos siguientes: - Temperatura: 12 a 25 ºC (16 ºC) - Oxígeno disuelto: 0,2 a 11 mg/litro (7 mg/litro) - pH: 6,5 a 9,0 (7,5) - Concentración no significativa de otras sustancias de otras sustancias orgánicas o inorgánicas que pudieran ser especialmente agresivas. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 311 1.b) AGUA EN LA ESTACIÓN DE TRATAMIENTO (ETAP) En la ETAP se recibe el agua de los embales y se le adicionan los reactivos necesarios para el proceso de clarificación, desinfección y acondicionamiento de sus características fisicoquímicas de forma que verifique las exigencias establecidas para el agua de consumo humano, recogidas actualmente en el RD 140/2003. Las características fisicoquímicas del agua en la ETAP, en relación a su capacidad corrosiva, se encuentran normalmente dentro de los siguientes intervalos: - Temperatura: 12 a 25 ºC (16 ºC) - Oxígeno disuelto: 0,2 a 11 mg/litro ( 7 mg/litro) - pH: 6,5 a 8,5 - Cloruros: 5 a 25 mg/litro - Sulfatos: 15 a 80 mg/litro En la relación anterior se han colocado entre paréntesis valores que podemos tomar como referencia o más habituales. 1.c) AGUA POTABLE EN LOS DEPÓSITOS Y RED DE ABASTECIMIENTO Las características fisicoquímicas del agua en la red de distribución a los consumidores, en relación a su capacidad corrosiva, se encuentran normalmente dentro de los siguientes intervalos: - Temperatura: 12 a 25 ºC - Oxígeno disuelto: 5 a 10 mg/litro - pH: 7,0 a 8,5 - Cloruros: 5 a 30 mg/litro - Sulfatos: 30 a 80 mg/litro 2) MECANISMOS DE CORROSIÓN El proceso electroquímico de corrosión se ocurre en base a las siguientes ecuaciones de oxidación (reacciones anódicas) y reducción (reacciones catódicas): - Reacción Anódica : Oxidación del Fe Fe → Fe2+ + 2e- Reacciones Catódicas: La reacción catódica predominante es la correspondiente a agua aireada con pH neutro o alcalino O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH- Reducción del oxígeno disuelto en el agua (Esta es la reacción de reducción más habitual en las aguas naturales) Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 312 3) FACTORES QUE DETERMINAN LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN Se trata de determinar qué efecto tienen sobre la velocidad de corrosión, los parámetros fisicoquímicos del agua recogidos en el apartado 1) anterior. a) Efecto de la Temperatura En el rango de temperaturas del agua de 12 a 25 ºC, la velocidad de corrosión crece de forma casi lineal con el aumento de temperatura., como se muestra en la figura. b) Efecto del pH En la figura anterior se representa el efecto del pH sobre la corrosión del hierro en agua aireada y a temperatura ambiente. Se deduce que para el rango de pH del agua de 6,5 a 9 la velocidad de corrosión es independiente del pH. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 313 c) Influencia del oxígeno disuelto En la figura anterior se ha representado el efecto de la concentración de O2 sobre la corrosión del acero dulce en agua destilada moviéndose con lentitud. Se obtienen las siguientes conclusiones: 1) Para que el hierro o el acero sufran corrosión apreciable en agua neutra o casi neutra, a temperatura ambiente, es necesaria la presencia de O2 disuelto; de lo contrario, la velocidad de corrosión sería prácticamente nula. La desaireación por vacío sería un medio muy interesante a considerar para el control de la corrosión. Sin embargo, el costo para tratar las grandes cantidades de agua necesarias es elevado por lo cual no se han construido todavía instalaciones prácticas para los suministros de agua. 2) Para el rango de concentraciones de oxígeno 0,2 a 11 mg/litro la velocidad de corrosión aumenta a medidad que lo hace la concetración de oxígeno disuelto en el agua. En la figura anterior se observa asimismo como inicialmente la velocidad de corrosión aumenta con el contenido de oxígeno en el agua, pero a partir de un determinado valor, esta velocidad disminuye debido a que se forma una capa de óxido protector. Cuando a la superficie del Fe llega más oxígeno que el que se puede reducir por la reacción catódica, el exceso de O2 crea una película de óxido protectora, ya que dificulta la difusión del oxígeno hacia la superficie del metal no oxidada. Si se rompe por cualquier causa la película protectora en zonas localizadas se forman pilas que provocarán una fuerte corrosión por picaduras, en particular a temperaturas altas o en presencia de iones de haluros. Cuando la concentración de cloruros es apreciable (por ejemplo en los puntos donde se dosifica el cloro al agua) no es posible conseguir la pasividad del hierro y el aumento de la concentración de oxígeno sólo conduce, en tales medios, a elevar la velocidad de corrosión. En este caso, son aplicables asimismo los siguientes resultados experimentales: - En el rango de pH de 4 a 10 la velocidad de corrosión del hierro o del acero sólo depende de la velocidad con que se difunda el oxígeno a la superficie del metal, lo cual está determinado por la concentración de oxígeno, la temperatura y velocidad del agua, no teniendo influencia apreciable los tratamiento térmicos que haya recibido o si ha sido trabajado trabajado en frío. - La composición del hierro o del acero dentro de los límites comerciales usuales de los aceros al carbono y de baja aleación, no tiene efecto en la práctica sobre la velocidad de corrosión en aguas naturales y suelos. La corrosión sólo se reduce de manera apreciable sólo cuando el acero se alea en las Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 314 proporciones de un acero inoxidable (> 12 % Cr), o de un hierro de alto silicio, o de una aleación hierro con alto contenido de níquel, para las cuales la difusión de oxígeno no controla la velocidad de ataque. 4) PROTECCIÓN FRENTE A LA CORROSIÓN Las aguas con índice de saturación positivo, no requieren generalmente ningún tipo de tratamiento para el control de corrosión. Las aguas blandas producen en el acero y la fundición de hierro una rápida acumulación de herrumbre y coloración en el agua. Las medidas básica que pueden utilizase para para controlar esta situación serían: 4.1) Adecuación del índice de saturación (Índice de Langelier). 4.2) Uso de recubrimientos 4.3) Dosificación de inhibidores de corrosión 4.1) Adecuación del índice de saturación (Índice de Langelier). Se controla el índice de saturación para depositar una capa protectora de CaCO3 sobre la superficie metálica La elevación del índice de saturación proporciona un medio útil y eficaz para reducir la velocidad de corrosión tanto en las partes de la red de distribución donde el agua se mueva como en las que permanezca quieta, y también es efectivo para reducir la corrosión en los sistemas de agua caliente. Este tratamiento requiere la adición de Ca(OH)2, o de cal y sosa (Na2CO3), al agua para elevar el índice de saturación a alrededor de + 0, 5, como exige la legislación vigente (RD 140/2003). Para obtener éxito, el agua debe contener baja cantidad de materia coloidal y de sólidos disueltos que no sean sales de calcio. Este tratamiento también reduce la corrosión del Cu, Pb y latón. En los sistemas de agua caliente debe tenerse presente a la hora de calcular las proporciones adecuadas de productos químicos a adicionar, la posibilidad de una deposición excesiva de CaCO3, que produce costras. 4.2) Uso de recubrimientos Los recubrirnientos normalmente utilizados para la protección de los metales en contacto con agua para consumo humano son el mortero de cemento Portland ( habitualmente usado en las tuberías de fundición), pinturas epoxi de uso alimientario y polietileno. Las propiedades de estos materiales se han descrito en apartados anteriores de este trabajo. Los elementos metálicos que se deben proteger son: - Superficie interior de las conducciones (tuberías, codos, etc.). - Superficies interiores de válvulas, bombas y equipos de instrumentación (caudalímentros, etc.) - Compuertas y elementos reguladores de flujo. - Materiales metálicos en los equipos para el tratamiento de agua ( cámaras de mezcla, decantadores, filtros, etc.). a) Uso de recubrimientos orgánicos orgánicos. Pinturas. Para conducciones de agua potable el revestimiento interior no puede contener ningún elemento soluble así como ningún producto susceptible de dar cualquier sabor u olor al agua después del conveniente lavado de la canalización. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 315 El uso de recubrimientos orgánicos o pinturas debe ser vigilado cuidadosamente, ya que puede ser origen de varios problemas de calidad de agua, como soporte de desarrollos mcrobiológicos, sabor, olor, y lixiviado de solventes. Aunque los productos de base alquitrán se han utilizado ampliamente en el pasado para entrar en contacto con agua potable, existe riesgo y prohibición sobre su uso a causa de la presencia de hidrocarburos policíclicos aromáticos y otros compuestos de riesgo del alquitrán por su migración al agua Por tanto, todas las pinturas a emplear en contacto con agua potable deberán poseer el registro sanitario de aptitud para uso alimentario. Como referencia, se propone es siguiente el siguiente esquema de pintura para las superficies metálicas en contacto con agua para consumo humano: Epoxi multicapa alimentario, con un espesor mínimo de 250 micras ( por ejemplo, 2 capas de 125 micras) con certificado de no toxicidad, y sin disolvente. b) Recubrimiento interior de tuberías El recubrimiento interior normalmente utilizado en las tuberías metálicas de fundición consiste en una capa de mortero de cemento centrifugado resistente a los sulfatos según la norma ISO 4179, aplicada mediante un proceso de centrifugación alta velocidad. . Algunos fabricantes, recientemente están recurriendo a un recubrimiento interior alternativo de carácter plástico (PEAD ó PU), lo que le confiere a la conducción una protección similar, o incluso superior a la del mortero, al tiempo que aumenta su lisura. La tecnología actual permite una total integración de estos recubrimientos interiores con la fundición dúcúil propiamente dicha, lo que se puede constatar en caso de una fractura. Cuando un tubo revestido de cemento se llena con agua, el agua permea los poros del revestimiento liberandose una considerable cantidad de hidrato de calcio. El hidrato de calcio reacciona con el bicarbonato de calcio en el agua para precipitar carbonato de calcio, el cual tiende a tapar los poros del mortero y prevenir el paso de agua adicional. La primera agua en contacto con el hierro a través del revestimiento, disuelve algo del metal, pero la cal libre tiende a precipitar el hierro como un hidróxido de hierro, lo cual también obtura los poros del cemento. Los sulfatos también se precipitan como sulfato de calcio. A través de estas reacciones, el revestimiento proporciona una barrera física y química ante el agua corrosiva. El revestimiento interior será con mortero de cemento aplicado por centrifugación permite conseguir una superficie interior lisa, pudiéndose considerar un coeficiente de Colebrook del tubo de k = 0,03 mm. 4.2) Uso de inhibidores de corrosión La adición de inhibidores de corrosión al agua se debe considerar sólo en aquellos casos de notroria corrosividad o agresividad de las aguas que no pudieran corregirse por los procedimientos anteriores. El uso de inhibidores de corrosión se ha recogido en el apartado 2.4 de este trabajo. 316 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua PROTECCIÓN FRENTE A LA CORROSIÓN ACUOSA. AGUA PARA CONSUMO HUMANO RECUBRIMIENTOS Mortero de Cemento Portland Centrifugado Acero Inoxidable Aisi 304 /L – 316/L ESQUEMA DE PINTURA Epoxi sin disolvente 125 Epoxi sin disolvente 125 ACERO PREPARACIÓN DEL SOPORTE - Limpieza de óxidos y suciedad. - Chorreado a metal blanco, grado SA-2 ½ Acero Galvanizado Cobre – Latón - Bronce Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua PROTECCIÓN FRENTE A LA CORROSIÓN: RECUBRIMIENTOS COMPUERTA PROTEGIDA CON RECUBRIMIENTO EPOXI Los recubrimientos presentan el inconveniente que en aquellos puntos donde no están bien aplicados y queda el metal al descubierto, éste sufre un intensa oxidación y el volumen de óxido va levantando progresivamente el recubrimiento. 317 318 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua PROTECCIÓN FRENTE A LA CORROSIÓN ACUOSA: ÍNDICE DE SATURACIÓN Is (Índice de saturación) = pH ‑ pHs Ks pHs = log10 K2 × [Ca] × [HCO 3 2− - + 2ε ] 2− [H + ] × [CO 3 ] K 2 (T ) = − [HCO 3 ] 1 2 donde µ = ∑ C i × Z i (µ : Fuerza iónica ) 2 K s (T ) = [CO 3 ] × [Ca 2+ ] ε= - Cuando Is > 0 → Tiende a formar películas protectoras de CaCO3: Agua incrustante - Cuando Is < 0 → No se forma o tiende a disolver las películas protectora de CaCO3: Agua agresiva - Cuando Is = 0 → Agua en Equilibrio: no forma, ni tiende a disolver las capas protectoras de CaCO3 Is>> 0 EJEMPLO DE APLICACIÓN DATOS mg / litro Ci mol/litro Zi HCO3- 396,5 0,00650 1 SO42ClNO3Ca2+ Mg2+ Na+ 178,6 304,9 72,5 145,9 83,7 117,6 0,00186 0,00860 0,00117 0,00364 0,00344 0,00511 2 1 1 2 2 1 K+ 4,3 0,00011 1 pH del agua: 6,85 µ 1 + 1,4 µ 1 µ = [ (0,00650 + 0.00860 + 0,00117 + 0,00511 + 0,00011) × 12 + (0,00186 + 0,00364 + 0,00344) × 2 2 ] = 0,02862 2 Por tanto : ε= µ 0,02862 = = 0,1368 1 + 1,4 µ 1 + 1,4 0,02862 Ks pHs = log10 K2 × [Ca] × [HCO 3 - 10 -8,3 + 2 ε = log 10 -10,3 + 2 × 0,1368 = 6,63 + 0,2736 = 6,90 ] 10 × 0,00364 × 0,00650 Ks pHs = log10 K2 × [Ca] × [HCO 3 - + 2ε ] El índice de Langelier (Índice de Saturación) toma el valor: IS = pH – pHs = 6,85 – 6,90 = -0,05 (< 0 ) → El agua es ligeramente agresiva Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 319 3.2.2 AGUAS RESIDUALES Se consideran los siguientes apartados: 1) AGUA RESIDUAL URBANA (DOMÉSTICA) 2) AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL 3) RECUBRIMIENTOS PROTECTORES 1) AGUA RESIDUAL URBANA (DOMÉSTICA) 1.a) Características Fisicoquímicas Las características fisicoquímicas del agua residual urbana, en lo relativo a su agresividad para los materiales, se encuentran habitualmente en de los siguientes rangos: - Temperatura: 10 a 20 ºC. pH: 6 a 9 Cloruros: 20 a 50 mg/litro Sulfatos: 15 a 50 mg/litro Oxígeno disuelto: 0 1.b) Mecanismo de corrosión La corrosión electroquímica se desarrollaría en base a los siguientes procesos de oxidación reducción: - Reacción Anódica: Oxidación del Fe Fe → Fe2+ + 2e- ReaccionesCatódicas La reacción catódica predominante es la correspondiente a agua aireada con pH neutro o alcalino O2 + 2H2O + 4e- → 4 OH- (reducción del oxígeno, abreviadamente O2 → OH- ) 1.c) Factores que determinan la velocidad de corrosión En cuanto a los efectos de las variables temperatura, pH y oxígeno disuelto sobre la velocidad de corrosión, las conclusiones que se obtinenen son análogas a las expuestas en el apartado anterior relativo al agua para consumo humano. En este caso, hay que resaltar la la baja o nula concentración de oxígeno que suele encontrarse en el agua residual doméstica, motivo por ele cual se considera que este tipo de aguas son mínimamente corrosivas. Sin embargo, las aguas residuales urbanas aireadas pueden provocar altas tasas de corrosión, por ejemplo en los tratamientos de aireación a que se somete el agua en las estaciones de tramiento de aguas residuales. 2) AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL 2.a) Características Fisicoquímicas El agua residual industrial es un medio de características muy variables, debido a la diversidad de los compuestos y condiciones de operación de las actividades industriales. 2.b) Mecanismo de corrosión En este caso son posibles todos los mecanismos electroquímcos de corrosión, como se ilustra en la lámina siguiente. 320 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MECANISMOS GENERALES DE CORROSIÓN METÁLICA REDUCCIÓN CATÓDICA: O2 / H+ / M+ (ac) OXIDACIÓN DEL METAL Disolución de de metales anfóteros por contacto con soluciones de reactivos alcanlinos: - NaOH utilizado para neutralización de fugas de Cl2 (g) NaOH → Na+ + OH− - Disoluciones de hipocloritos usados como desinfectantes NaClO + H2O ↔ HClO + Na+ + OH− Fe2+ 4OH- Fe (OH )2 H2 2 H2O O2 Corrosión Galvánica 4H+ + O2 (ac) M+(ac) O Disolución M Anfótero AlO2-, Zn MEDIO ALCALINO OH- H2O + O2 (ac) O2 pH ≅ 7 Fe 2e- → Fe → Fe2+ + 2eC u → C u2+ + 2eAl → Al3+ + 3eZn → Zn2++ 2e- MEDIO ACIDO 2e- 4eMETAL ANFÓTERO Al, Zn, Sn, Pb 2H+ (ac) 4epH < 4 Fe (OH )2 + 1/4 O2 + ½ H2O → Fe (OH )3 3 Fe (OH )3 → Fe2O3 + 3 H2O M (s) e- → e- → e- → Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 321 Como factores adicionales que pueden llegar a contribiontribuir de forma significativa, en la capacidad corrosiva de las aguas potables y residuales se deberá aplicar lo ya expuesto en los siguientes apartados: - Carácter agresivo o incrustante (Índice de Saturación) - Velocidad relativa del agua: Corrosión - Erosión - Cavitación 3) MEDIDAS DE PROTECCIÓN Para las aguas residuales, dada la casuística y agresividad tan variada que pueden presentar, conviene utilizar materiales de gran resistencia química, como los materiales plásticos (PVC), cerámicos (gres vitrificado), o el hormigón. Estos materiales, además de presentar una mayor resistencia química que los materiales metálicos se caracterizan asimismo por la lisura de las superficies que favorece el flujo en las conducciones de agua residual. Cuando se necesita una elevada resistencia metálica suele recurrirse a las tuberías de fundición dúctil. Para la protección de los materiales férreos resultarían adecuados los siguientes recubrimientos: 1) Cemento Portland. El recubrimiento interior normalmente utilizado en las tuberías metálicas de fundición consiste en una capa de mortero de cemento centrifugado resistente a los sulfatos según la norma ISO 4179, aplicada mediante un proceso de centrifugación alta velocidad. . Algunos fabricantes, recientemente están recurriendo a un recubrimiento interior alternativo de carácter plástico (PEAD ó PU), lo que le confiere a la conducción una protección similar, o incluso superior a la del mortero, al tiempo que aumenta su lisura. La tecnología actual permite una total integración de estos recubrimientos interiores con la fundición dúcúil propiamente dicha, lo que se puede constatar en caso de una fractura. Cuando un tubo revestido de cemento se llena con agua, el agua permea los poros del revestimiento liberandose una considerable cantidad de hidrato de calcio. El hidrato de calcio reacciona con el bicarbonato de calcio en el agua para precipitar carbonato de calcio, el cual tiende a tapar los poros del mortero y prevenir el paso de agua adicional. La primera agua en contacto con el hierro a través del revestimiento, disuelve algo del metal, pero la cal libre tiende a precipitar el hierro como un hidróxido de hierro, lo cual también obtura los poros del cemento. Los sulfatos también se precipitan como sulfato de calcio. A través de estas reacciones, el revestimiento proporciona una barrera física y química ante el agua corrosiva. El revestimiento interior será con mortero de cemento aplicado por centrifugación permite conseguir una superficie interior lisa, pudiéndose considerar un coeficiente de Colebrook del tubo de k = 0,03 mm. 2) Recubrimientos epoxi En general, se admite que las pinturas epoxi proporcionan una protección suficiente en un intervalo de pH entre 5,5 y 12,5 y para una temperatura máxima de 50 ºC. Si en esas condiciones extremas, la conductividad del agua fuera elevada sería necesario completar la protección con ánodos de sacrificio. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 322 3.2.3 DISOLUCIONES ACUOSAS DE REACTIVOS UTILIZADOS PARA TRATAMIENTO DE AGUA. A continuación se exponen las características corrosivas de los principales reactivos químicos utilizados en el tratamiento de agua, clasificados en tres grupos: A) REACTIVOS ÁCIDOS B) REACTIVOS ALCALINOS C) REACTIVOS NEUTROS A) REACTIVOS ÁCIDOS 1) Sulfato de Aluminio (Al2(SO4)3 · 18 H2O) 2) Cloro acuoso 3) Acido Fluorsilícico 37 – 42 % ( H2SiF6 37 a 42 %) 1) Sulfato de Aluminio (Al2(SO4)3 · 18 H2O) La disolución comercial de sulfato de aluminio, utilizado como coagulante para la clarificación del agua, está caracterizada por los siguientes parámetros: - Riqueza: 48,5 % (485 g de sulfato de aluminio / kilogramo de disolución ) - pH en el entorno a 3,0 Nota: El bajo valor de pH se debe a que esta sal presenta una reacción de hidrólisis ácida: Al2(SO4)3 + 6H2O → 2Al(OH)3 + 6H+ + 3SO42- Mecanismo de corrosión - Reacción Anódica: Oxidación del Fe Fe → Fe2+ + 2e- ReaccionesCatódicas El grado de acidez de la disolución posibilita las reacciones de reducción: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Medio aireado) (Medio desaireado) 2H+ + 2e- → H2 El efecto de la acidez provoca asimismo la disolución de las capas de óxido existentes sobre la superficie del metal facilitando la llegada del oxígeno a la superficie metálica y aumentando la velocidad de corrosión. - Materiales: Para el almacenamiento y trasiego de las disoluciones de sulfato de aluminio se comportarn satisfactoriamente las resinas de poliester del tipo bisfenólicas o vinil-éster. Dado el buen comportamiento acreditado por materiales plásticos como el PE, PP y PVC ante disoluciones acuosas de H2SO4 de hasta el 50 %, se puede esperar asimismo un buen comportamiento de estos materiales para para su uso en recipientes y lineas de transporte de las disoluciones acuosas de Al2(SO4)3 · 18 H2O. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 323 2) Cloro acuoso El cloro gas Cl2 (g) se utiliza en el tratamiento de agua potable por su acción desinfectante, y también por su efecto oxidante. El cloro reacciona con la mayor parte de los elementos y compuestos químicos y con todos los compuestos orgánicos, excepto los fluorocarbonados ( por ejemplo, el Teflón). Su reacción con agua, produce ácidos clorhídrico e hipocloroso, muy corrosivos para casi todos los metales, salvo el Titanio y el Tántalo. Cl2 (g) + H2O ↔ HClO (ac) + H+(ac) + Cl-(ac) (1) HClO (ac) ↔ H+ (ac)+ ClO- (ac) (2) Por el motivo anterior, al cloro (obtenido por electrolisis de salmueras) se le elimina de la forma más completa posible la humedad que le acompaña, hasta un contenido inferior a 40 ppm de humedad. El cloro gas que cumple la especificación anterior se denomina “cloro seco” y puede almacenarse y expenderse comercialmente en botellas o contenedores de acero al carbono. Para temperaturas inferiores a 120 ºC, lo cual cubre ampliamente el campo de utilización del cloro en las estaciones de tratamiento de agua, resulta óptimo el uso de recipientes de acero al carbono para almacenamiento del cloro gas o líquido, así como para los equipos evaporadores que trasforman el cloro líquido en cloro gas, para facilitar su dosificación. No deben usarse metales como el aluminio o galvanizados. Habitualmente los sistemas de dosificación de cloro implican la mezcla de cloro gas seco con agua de transporte, originando una disolución acuosa sobresaturada de cloro, muy corrosiva por los siguientes motivos: - Elevada acidez, debido a la hidrólisis ácida del cloro, como se deduce de la aparición de H+en las ecuaciones (1) y (2) anteriores. La acidez creada posibilita como reacciones catódicas de reducción: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O 2H+ + 2e- → H2 - Carácter oxidante del cloro acuoso, el ácido hipocloroso y del anión hipoclorito: ↔ Cl- ; E0 = 1,36 V 2. HClO + H+ + 2e- ↔ Cl- + H2O; E0 = 1,49 V 3. ClO− + 2H2O + 2e- ↔ Cl- + 2H2O; 1. Cl2 + 2e- - Efecto despasivante de los cloruros (Cl-). Materiales para el cloro en disolución acuosa Los materiales acreditados para el alamacenamiento y transporte del cloro acuoso son los que figuran en la relación siguiente: Metales: Plata y Platino Titanio, Tántalo. Su elevado precio hace inviable su uso en las instalaciones comerciales. No metales: - Vidrio y cerámica, que presentan el problema de su fragilidad. - Plásticos: - PTFE, PVC, resinas ABS, Poliéster clorado, Policarbonato - No presentan buen comportamiento hacia el cloro húmedo el Polietileno y Polipropileno. Cuando se utilicen materiales plásticos deben tenerse siempre presentes sus limitaciones en cuanto a la presión y la temperatura. 324 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 3) Acido Fluorsilícico 37 – 42 % ( H2SiF6 37 a 42 %) Se utiliza este reactivo ya que los fluoruros tienen una acción efectiva para controlar las caries dentales, siempre que la concentración de los mismos se mantenga en valores próximos a 1 mg/litro. El H2SiF6 se caracteriza desde el punto de vista de su reactividad química por: a) Reacciona con el acero, níquel, aluminio y con otros muchos metales con desprendimiento de hidrógeno b) Forma HF (muy tóxico) con ácidos concentrados c) Reacciona fuertemente con los álcalis. d) Ataca al vidrio y al cemento. Los recipientes de almacenamiento y conducciones de dosificación están basados en materiales plásticos, resultando satisfactorio el polipropileno. B) REACTIVOS ALCALINOS 1) Hidróxido sódico (NaOH) 2) Hipoclorito sódico NaClO 3) Hidróxido cálcico Ca(OH)2 1) Hidróxido sódico (NaOH): El NaOH suede ser usado como reactivo para corregir el pH del agua y para la neutralización de fugas de cloro gas que eventualmente puedan ocurrir. Comercialmente se utiliza en disoluciones acuosas de hasta el 50% en peso de concentración. En su aplicación para la absorción de fugas de cloro, se utilizan disoluciones de concentración en torno al 20 % para evitar los problemas que pudieran surgir como consecuencia de su cristalización al descender la temperatura. Es una base fuerte, ya que en solución acuosa se disocia prácticamente en su totalidad haciendo que se eleve el pH ( NaOH → Na+ + OH− ) Materiales: Pueden utilizarse los siguientes materiales plásticos: PE, PP, Poliester fibra de vidrio (hasta el 10% R/M. Para el 50 % M) y PVC (regular) En todo caso hay que tener presente la limitaciónes que pueden presentarse sobre los plásticos anteriores en relación a la temperatura del hidróxido sódico. 2) Hipoclorito sódico NaClO Este reactivo suele utilizarse como desinfectante y se puede adquirir comercialmente en disolución acuosa de unos 150 gramos/litro de concentración (La concentración de hipoclorito en una lejía comercial pueden ser entre 25 y 50 gramos/litro) Su carácter alcalino se debe a sus reacciones en disolución acuosa: NaClO + H2O ↔HClO + Na+ + OH− HClO ↔ H+ + ClO− 3) Hidróxido cálcico Ca(OH)2 Se trata de un reactivo alcalino (Ca(OH)2 → Ca2+ + 2OH− ) de solubilidad limitada ( 1,65 a 20ºC ) utilizado habitualmente para el acondicionamiento del pH del agua. g/litro Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 325 C) REACTIVOS NEUTROS 1) Permanganato Potásico (KMnO4) 2) Polielectrolitos 2) Oxígeno (O2) y Ozono (O3) 1) Permanganato Potásico (KMnO4) El KMnO4 se utiliza en disolución acuosa debido a la capacidad del ión permanganato para oxidar metales disueltos, en el agua a tratar, y facilitar así su separación como óxidos mediante los procesos de coagulación floculación. Debido a su efecto oxidante sobre los metales, los pasiva inhibiendo las reacciones de corrosión. resultando perféctamente adecuados el acero al carbono y plásticos como el PVC ó el PE. Materiales como el acero al carbono o plásticos como el PVC o PE resultan adecuados para este reactivo en las condiciones habituales de uso en las instalaciones de tratamiento de agua. 2) Polielectrolitos Se utilizan como floculantes o coadyuvantes al proceso de floculación, con el objeto de conseguir la clarificación del agua. Los polielectrolitos son polímeros que se disuelven en agua, ocurriendo normalmente una ionización, que genera multitud de puntos de carga (positiva o negativa, según el tipo de polímero) sobre la cadena polimérica. Estas cargas superficiales se adhieren a los microflóculos creando puentes entre ellos: aumentando su tamaño y su peso y por tanto la velocidad de sedimentación. Las disoluciones acuosas de polielectrolitos suelen prepararse en concentraciones inferiores al 1 % y su pH está próximo a la neutralidad, resultando de muy baja corrosividad. Los recipientes para preparación de sus disolución acuosa suelen ser de acero inoxidable ( AISI 304) y las líneas de dosificación admiten plásticos como el PVC ó el PE. 2) Oxígeno (O2) y Ozono (O3) El O3 se utiliza en el tratamiento de agua por su extraordinaria capacidad oxidante y desinfectante El ozono O3 puede generarse en un reactor alimentado por O2 gaseoso o bien por aire atmosférico. En el primer caso, el O2 se encuentra macenado en forma líquida, pasando a través de un intercambiador en el que recibe calor para gasificarse y ser conducido hasta el generador de ozono. La temperatura crítica del O2 es -118,8 ºC, lo cual implica que el recipiente que lo almacena como líquido debe hallarse a una temperatura igual o inferior y presentar resistencia química frente a la oxidación. El material indicado para estas condiciones sería el acero AISI 304/L, que mantiene su ductilidad hasta – 250 ºC. . Dado el carácter fuertemente oxidante de la mezcla de oxígeno y ozono el material idóneo tanto para el ozonador (generador de ozono) como para las conducciones que los transportan hasta el punto de dosificación sería un acero del tipo AISI 304 L (interesa la variedad L para prevenir una posible corrosión intergranular por sensibilización del acero en las zonas de soldadura de las conducciones o el generador. MATERIALES PARA REACTIVOS QUÍMICOS Adicionalmente a las indicaciones sobre materiales realzadas en el punto anterior, en este apartado se recogen consideraciones generales en relación a los materiales que se deben utilizar en contacto con los reactivos químicos utilizados para el tratamiento del agua. - Los materiales que deben usarse para el almacenamiento y manipulación de los reactivos químicos son los que se figuran en su ficha de seguridad, que obligatoriamente debe proporcionar el proveedor del reactivo. - En general los materiales plásticos suelen ser una alternativa muy adecuada para los equipos de almacentamiento y transprote de los reactivos químicos utilizados para el tratamiento de agua, dada su mayor resitencia química en comparación con lo metales, siendo preciso tener en cuenta sus limitaciones Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 326 frente a la temperatura y otras.. En el apartado dedicado a los materiales poliméricos de este trabajo figuran las propiedades técnológicas y de de resitencia a la corrosión de los materiales plásticos más utilizados. Materiales metálicos en contacto con reactivos ácidos y alcalinos - En relación al hierro y al acero, de la curva de velocidad de corrosión en relación al pH se deducen dos hechos: a) La velocidad de corrosión aumenta con gran intensidad para valores de pH inferiores a 4 (medios ácidos). b) La velocidad de corrosión disminuye a medida que aumenta el pH ( medios - Debe evitarse el uso de metales anfóteros como el Zn (galvanizados) o el Al, en medios alcalinos ya que se disuelven como AlO2-, Zn (OH)4- , etc. - Los aceros al carbono son susceptibles de experimentar corrosión bajo tensiones cuando están sometidos a disoluciones de álcalis fuertes, fenómeno conocido como “fragilidad caústica”. Nota: Corrosión bajo tensiones La acción combinada de un esfuerzo de tracción y un ambiente corrosivo produce la corrosión bajo tensiones; ambos factores son necesarios. Algunos materiales potencialmente inertes en un medio corrosivo particular son susceptivles a este tipo de corrosión al aplicarles simultáneamente esfuerzos de tracción. Se forman pequeñas grietas que luego se propagan en dirección perpendicular al esfuerzou, como consecuencia puede aparecer el fallo. La apariencia del fallo es característico de los metales frágiles, aunque la aleación metálica que experimenta esta corrosión sea intrínsecamente dúctil). 327 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua CORROSIÓN POR REACTIVOS QUÍMICOS ACUOSOS REDUCCIÓN CATÓDICA: O2 / H+ / M+ (ac) OXIDACIÓN DEL METAL Reacción de reducción predominante en Embalses ETAP y Abastecimiento y exterior de tuberías Afecta en general a la todas los materiales metálicos en contacto con el agua tratada y las aguas de proceso: agitadores, estructuras metálicas de decantadores y filtros, conducciones, bombas, válvulas. Disolución de de metales anfóteros por contacto con soluciones de reactivos alcanlinos: - NaOH utilizado para neutralización de fugas de Cl2 (g) NaOH → Na+ + OH− - Disoluciones de hipocloritos usados como desinfectantes NaClO + H2O ↔ HClO + Na+ + OH− Fe 2+ Hidrólisis ácida de reactivos ácidos → Actúan sobre los metales de líneas de transporte del reactivo acuoso y en las arquetas de dosificación hasta que se diluye en la corriente general Cl2 (g) + H2O ↔ HClO (ac) + H+(ac) + Cl-(ac) HClO (ac) ↔ H+ (ac) + ClO- (ac) Al2(SO4)3 + 6H2O → 2Al(OH)3 + 6H + + 3SO422) Reacción de reducción en suelos muy ácidos, en condiciones anaerobias ( poco frecuente) . 4OH Fe (OH )2 2 H2O - O2 Disolución M Anfótero AlO2-, Zn MEDIO ALCALINO OH- O2 M+ (ac) H2O + O2 (ac) pH ≅ 7 O2 4H+ + O2 (ac) pH < 4 4eMETAL ANFÓTERO Al, Zn, Sn, Pb Fe 2e- → Fe → Fe2+ + 2eC u → C u2+ + 2eAl → Al3+ + 3eZn → Zn2++ 2e- 4eMEDIO ACIDO Fe (OH )2 + 1/4 O2 + ½ H2O → Fe (OH )3 3 Fe (OH )3 → Fe2O3 + 3 H2O e- → M (s) e- → Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 328 3.3 Corrosión y Protección de Tuberias y Metales Enterrados En este apartado se considera la protección de superficies metálicas enterradas o sumergidas en medios acuosos no especialmente contaminados. El caso de mayor interés por su magnitud económica es la protección de la superficie exterior de las tuberías metálicas enterradas. 1) MECANISMOS DE CORROSIÓN DE CORROSIÓN DE LOS METALES ENTERRADOS Véase 1.1.2 CORROSIÓN DE TUBERÍAS Y METALES ENTERRADOS 2) PROTECCIÓN DE LOS MATERIALES METÁLICOS ENTERRADOS Se pueden adoptar las siguientes medidas de protección: 1. Recubrimientos orgánicos e inorgánicos 2. Recubrimientos metálicos 3. Alteración del suelo 4. Protección catódica El uso de recubrimientos es la técnica que más utilizada para controlar la corrosión. Si no es posible revestir la estructura, otra opción es acondicionar el electrolito. Esto se hace “amortiguando” el electrolito mediante la adición de inhibidores que retardan la reacción anódica o la reacción catódica, o ambas. Puede conseguirse que un suelo de elevado contenido de ácidos orgánicos sea menos corrosivo rodeando la estructura metálica con pequeños trozos de caliza. Si no es posible revestir la estructura ni agregar inhibidores para controlar el electrolito, entonces se procede a un sistema de protección catódica. Como el medio resistivo es el suelo, en principio la protección a elegir sería mediante corriente impresa, ya que la protección con anodos de sacrificio suele resultar viable sólo en medios con poca demanda de corriente y baja resistividad, como por ejemplo en agua de mar. 1. Recubrimientos orgánicos e inorgánicos Los recubrimientos de pintura de espesor normal para la protección atmosférica fallan en unos meses cuando se exponen en el suelo. En cambio, han resultado eficaces las aplicaciones de gruesos recubrimientos de alquitrán de carbón, con pigmentos reforzantes o fibras inorgánicas o fundas de material plástico. Estos recubrimientos dan una protección eficaz a un costo moderado y son los más empleados en la práctica. Se ha comprobado experimentalmente que los recubrimientos de cemento Portland aplicados sobre el acero lo protegen con efectividad durante muchos años de exposición. Los recubrimientos de esmalte vítreo, cuando están exentos de poros, también son protectores. Estas dos clases de recubrimientos son frágiles y tienden a resultar dañados con facilidad por acciones mecánicas. La eficacia de los recubrimientos de Zn está demostrada experimentalmente. Estos recubrimientos se deterioran con mayor rapidez cuando están acoplados galvánicamente a grandes superficies de hierro desnudo, acero o cobre, en cuyo caso habría que utilizar acoplamientos aislantes. A continuación se exponen los principales esquemas, de protección basados en recubrimientos, de las tuberías metálicas enterradas Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 329 Esquema 1: El revestimiento exterior clásico de las tuberías de fundición dúctil está constituido por una capa de zinc metálico depositada por proyección y recubierta de una pintura epoxi o una pintura bituminosa. El zinc es una protección activa por la acción galvánica de la pila hierro-zinc, que origina la formación de una película protectora de sales de zinc insolubles y la autocicatrización de los rasguñuos por efecto galvánico. La norma UNE 545 prescribe una protección con una capa de Zinc de 130 g/m2, aunque algunos fabricantes aplican revestimientos hasta 200 g/m2. Por tanto: - Capa de Zinc 130 g/ m2 - Dos capas de alquitrán epoxi, con espesor de 125 micras por capa. Esquema 2: - Imprimación con pintura resina epoxi poliamida: 1 capa de 25 micras. - Brea-epoxi poliamida: 3 capas de 125 micras cada una. Esquema 3: - Tres capas de epoxi bituminoso, con espesor de 125 micras por capa. 330 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MATERIALES METÁLICOS ENTERRADOS: RECUBRIMIENTOS ESQUEMA DE PINTURA EXTERIOR Alquitrán Epoxi 125 µm Alquitrán Epoxi 125 µm Capa Zinc 130 g/ m2 FUNDICIÓN Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 331 2. Protección Catódica. Predimensionamiento de un sistema de corriente impresa. Como aplicación del apartado 2.5 (Protección Electroquímica) el caso más significativo en las instalaciones de abastecimiento de agua sería la protección de una red de tuberías enterradas. La protección catódica es un sistema eficaz que suele utilizarse como protección adicionaÍ o complementaria en las estructuras enterradas que ya llevan revestimiento, con el fin de evitar el riesgo de corrosión localizada que puede darse cuando en el revestimiento aparezcan poros o fallos. Cuanto menor sea la superficie desnuda de un revestimiento, menores serán las necesidades de corriente de protección y, por tanto, menores los gastos de operación y de mantenimiento. Podría confiarse la protección anticorrosiva de una estructura enterrada solamente a la protección catódica, pero resultará antieconómico en la mayoría de los casos. La protección catódica de un sistema de tuberías enterradas se plantea utilizando el método de corriente impresa, más conveniente que el de los ánodos de sacrificio cuando se tratan de proteger estructuras muy grandes o con una gran demanda de corriente y cuando la resistividad del medio es elevada, como es el caso de protección de las estructuras enterradas. El esquema general de la instalación se muestra en la siguiente figura: Red de Tuberías a Proteger Observaciones: 1) Tanto la diferencia de potencial como la corriente suministrada se pueden variar, por lo que el sistema de protección por corriente impresa presenta una gran flexibilidad operacional. 2) Para que el reparto de corriente sea bueno los ánodos deben estar lo más lejos posible del conducto; se recomienda una distancia mínima de 50 metros. Los parámetros básicos de predimensionamiento serían: 1) Potencial de protección 2) Intensidad necesaria 3) Ánodos Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 332 1) POTENCIAL DE PROTECCIÓN Para diseñar una instalación de protección el primer parámetro a determinar es el potencial a que hemos de situar nuestra estructura metálica para evitar su corrosión. Se indican dos criterios que pueden adoptarse para fijar el potencial de protección: 1.1) Criterio de Pourbaix 1.2) Valores Experimentales 1.1) Criterio de Pourbaix: Pourbaix define la zona de inmunidad como aquella en que la actividad del ion metálico en el electrolito en contacto con el metal es inferior o igual a 10-6 molar. Para los valores de pH habituales (pH < 9,0), conseguiríamos que la estructura se hallase en la zona de inmunidad si mantenemos su potencial en un valor igual o inferior a -0, 62 voltios, respecto al electrodo de estándar de hidrógeno. Nota: el valor del potencial de protección de Pourbaix se deduce fácilmente determinando el potencial del Fe, respecto al electrodo normal de H2, cuando [Fe2+ ] = 10-6 molar (iones gramo /litro de disolución). Fe → Fe2+ + 2e- ; E0 = - 0,44 V (respecto al electrodo normal de H2 ) [Fe2+ ] = 10-6 molar E = E0 + 0,059/ n * log [Mn+] → E = -0.44 + 0,059/ 2 * log [10-6 ] = -0,44 –0,177 = - 0,617 Volts Éste es el voltaje que corresponde a la línea horizontal marcada con –6 en el diagrama de Pourbaix del hierro. Por encima de la línea (b) los potenciales son muy positivos , lo cual provoca la descomposición de las moléculas de agua cediendo electrones y acidificando el medio: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Entre las líneas (a) y (b) el agua es termodinámicamente estable Por debajo de la línea (a) los potenciales son muy negativos. Las moléculas de agua captan electrones y se descomponen desprendiéndose hidrógeno y alcalinizando el medio: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH En la figura siguiente se aprecia la equivalencia de este criterio expresado con referencia a otros electrodos normalmente utilizados. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 333 2) Valores Experimentales Se han llevado a cabo multitud de determinaciones experimentales directas ( en el laboratorio y en aplicaciones prácticas concretas ) de las velocidades de corrosión de metales expuestos a medios y condiciones diversas, al imponerles diversos valores de potencial. Ello ha permitido estimar los potenciales mínimos para una protección adecuada, potenciales que acostumbran a diferir poco para un mismo material metálico. Los resultados se muestran en el cuadro siguiente: Según experiencias realizadas, para la protección del aluminio contra la corrosión el potencial debe estar situado entre ambos límites. 2) INTENSIDAD NECESARIA Si hemos determinado el potencial para el cual nuestra estructura va a estar protegida, el siguiente paso sería establecer la intensidad corriente eléctrica que debe aplicarse al metal para llevarlo al potencial de protección. La intensidad a aplicar será uno de los parámetros fundamentales que incidirán en el diseño y el coste operativo del sistema de protección. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 334 La intensidad necesaria para alcanzar el potencial de protección depende en gran medida de las condiciones del medio tales como temperatura, agitación, aireación, composición, etc., y del tipo de metal o aleación. Depende asimismo de la presencia de recubrimientos y su estado de conservación, existencia de capas calcáreas, vitrificados, etc. En el cuadro siguiente se muestran los valores de la intensidad de corriente continua (DC) mínima a aplicar para la protección de los metales férreos enterrados, para distintas condiciones: Obsérvese que los valores de la DC aumentan muy significativamente en el caso de suelos muy ácidos o con bacterias sulfatorreductoras. Multiplicando la DC en mA/m2 por la superficie a proteger (m2) obtendríamos la intensidad que ha de proporcionar la fuente de corriente impresa. 3) ÁNODOS Una vez establecida la corriente total de protección, se elige el tipo de ánodo. Hay dos tipos de ánodos auxiliares en los sistemas de corriente impresa: ánodos consumibles y ánodos inertes o “permanentes”. Todos estos ánodos van consumiéndose a mayor o menor velocidad con el paso de la corriente. Así, por ejemplo, la chatarra de hierro se consume muy rápidamente y el titanio platinado a un ritmo muy lento. Para la protección de estructuras enterradas se usa principalmente la aleación FeCr-Si. Conviene instalar los ánodos en un lecho de bentonita o polvo de coque, lo cual crea un medio homogéneo, húmedo y de baja resistividad alrededor del ánodo, con lo que se aumenta su diámetro aparente y las dimensiones efectivas del ánodo, y se disminuye de esta forma la resistencia ánodo-suelo, se evitan los problemas de corrosión localizada que pueden romper el ánodo y reducir el consumo del material anódico. Dividiendo la intensidad de protección necesaria (determinada en el apartado anterior) entre la intensidad máxima que puede aportar cada ánodo (dato suministrado por el fabricante) se determina el número de ánodos. Normalmente las tuberías, además de la protección catódica, llevan un sistema de protección a base de sustancias bituminosas de 3 a 6 mm de espesor, lo que les proporciona un buen aislamiento. También se utilizan mucho para este fin las bandas adhesivas de policloruro de vinilo (PVC). En el cuadro siguiente se dan algunos valores para la protección de una tubería en función de la resistencia del revestimiento y del diámetro del conducto. Densidad de corriente necesaria (en mA/km), para la protección de una tubería enterrada en función de la resistencia del revestimiento y del diámetro del conducto. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 335 Este tipo de sistemas debe ser proyectado con cuidado para no causar problemas de corrientes erráticas (parásitas), las cuales pueden provocar la corrosión de estructuras. En la lámina siguiente se resumen gráficamente los principales aspectos a considerar para la protección catódica de tuberías enterradas. 336 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MATERIALES METÁLICOS ENTERRADOS: PROTECCIÓN ELECTROQUÍMICA Diagrama pH – E (Diag. Pourbaix ) del hierro a 25º C. Protección de una tubería enterrada mediante ánodos de sacrificio Protección de una tubería enterrada mediante corriente impresa 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- 2H2O + 2e- → H2 + 2OH e- Potencial de Protección [Fe2+ ] = 10-6 molar Fe → Fe 2+ + 2e- ( E0 = - 0,44 V) E = -0.44 + 0,059/ 2 * log [10-6 ] = - 0,62 V Densidad de corriente (DC en mA/m2) para la protección catódica del hierro Fuente Intens. regulable 2e- E e 2e- M Voltímetro - R Pt H2 Fe M2+ + e H2O Fe2+ Fe O2 H+ H2 4 OH- → O2 + 2 H2O + 4 e2C1- → C1 2 +2eM → M2+ + 2eO2 + 2H2O + 4e- → 4 OH2H+ + 2e- → H2 pH<4 O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O M n+ + ne → M Fe2+ O2 H+ Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 337 4. MATERIALES METÁLICOS PARA BOMBAS, VÁLVULAS Y TUBERÍAS Se consideran los siguientes apartados - CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES PARA LA INDUSTRIA ALIMENTARIA MATERIALES PARA BOMBAS MATERIALES PARA VÁLVULAS MATERIALES METÁLICOS PARA TUBERÍAS ACCESORIOS: TORNILLERÍA CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES PARA LA INDUSTRIA ALIMENTARIA Entre las características básicas que se deben exigir a los materiales para la fabricación de equipos en la industria alimentaria (bombas, válvulas tuberías, y resto de accesorios) se encuentran las siguientes: - Gran resistencia a la corrosión, a la abrasión y al ataque químico, característica que asegurará que no contaminen el producto Es necesario que incluyan un sistema de lubricación totalmente estanco y el lubricante tiene que ser apto para uso alimentario. El número de partes que se puedan desgastar con el funcionamiento debe ser mínimo, lo cual evita la contaminación del producto y reduce el mantenimiento del equipo. Las superficies interiores de las carcasas deben ser pulidas y sin rebaba para evitar la acumulación de bacterias y residuos. En la mayoría de los casos la construcción en acero inoxidable (AISI 304 o AISI 316) resulta una opción muy adecuada. Las diversas partes que constituyen un equipo pueden estar construidas en una gran variedad de materiales. La mayor o menor compatibilidad de cada uno de estos materiales con la sustancia que se procesa se conoce a partir de la experiencia y depende de muchos factores. La compatibilidad puede variar según la temperatura, la concentración o el contenido en productos abrasivos del fluido; pero en la mayor o menor aceptabilidad de un material también influye la relación entre su coste y su duración. Tradicionalmente, los materiales se eligen según el valor del pH de la sustancia con que se hallan en contacto. Según esto, las recomendaciones básicas están detalladas en la tabla siguiente: Elección de Materiales en función del pH. pH 0–4 Materiales Aceros resistentes a ácidos, hierrosílice fundido, carbono, ebonita, cerámica, plásticos, acero inoxidable. 4 - 6 Totalmente en bronce, plásticos, acero inoxidable. 6 - 8 Hierro colado, acero fundido, aluminio, plásticos, acero inoxidable 8 - 9 Hierro colado, plásticos, acero inoxidable. 9 - 14 Hierro colado, níquel, Mónel, plásticos, acero inoxidable. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 338 En la tabla anterior debe tenerse en cuenta que dentro de cada tipo de material se debe elegir la aleación específica que se adecúe a la aplicación, ya que por ejemplo dentro de los aceros inoxidables o los bronces existen muchas variedades que responden a aplicaciones diferenciadas. Aparte de los materiales mencionados, existen otros materiales alternativos para resolver los problemas especiales de ataque químico o erosión-corrosión y es necesario tener en cuenta que continuamente están apareciendo nuevos materiales sintéticos con mejores propiedades físicas y químicas, observándose una tendencia creciente al uso de materiales plásticos. En el caso de utilizar bronce en la construcción de elementos giratorios (por ejemplo, rodetes de bombas), hay que tener presente su coeficiente de dilatación para no utilizarlo con materiales con coeficiente de dilatación menor que formen parte de la carcasa de la bomba. Por tanto, la combinación de bronce y acero no será adecuada cuando se trabaje a temperaturas elevadas, ya que el primero se expande más. En el caso de aplicaciones en la industria alimentaria, el coste y facilidad de fabricación pasan a un segundo término, optándose habitualmente por el acero inoxidable o por otras aleaciones en casos especiales de condiciones de trabajo muy severas. El uso de materiales no metálicos en el transporte de líquidos corrosivos y alcalinos ofrece ventajas tanto en le coste inicial (puesto que evita los gastos en aleaciones especialmente resistentes a la corrosión) como en el mantenimiento. Desde la aparición y el desarrollo de numerosos materiales plásticos se ha insistido mucho más en las posibilidades y aplicaciones de los mismos. La mayoría de plásticos modernos tienen excelentes propiedades respecto a la resistencia a la corrosión y deterioro, ofreciendo además una gran facilidad de moldeado y soldadura; sin embargo, tienen un punto débil: el límite de temperatura. Elastómeros tales como neopreno, caucho de nitrilo, poliuretano y Vitón (hidrocarburo fluorado) se utilizan para revestimiento de rodetes, diafragmas, cuerpos, depósitos, tuberías, etc. A menudo se utilizan bombas recubiertas. Los compuestos de caucho (naturales o sintéticos) son los materiales más utilizados, puesto que oponen resistencia frente a la mayoría de reactivos químicos, incluidos ácidos y alcalinos. La dureza de la capa o del revestimiento se puede escoger entre una amplia gama. En un extremo encontramos el caucho muy blando y en el otro, la ebonita dura y rígida. Las bombas con recubrimientos termoplásticos tienen un comportamiento parecido a los compuestos de caucho. El éxito o el fracaso se basa en el enlace entre la capa protectora y el metal. Las dificultades que supone este enlace desaparecen con el uso de polímeros termoestables. Éstos proporcionan una menor resistencia a la corrosión y a la abrasión que los termoplásticos, pero su resistencia mecánica es superior. Tanto las resinas epoxi como las resinas de poliéster presentan buenas características de enlace con metales limpios y pueden formar recubrimientos duros, resistentes al ataque químico y de larga vida, siendo su mayor coste lo que a veces limita su aplicación. 339 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MATERIALES PARA BOMBAS 1. Cuerpo de Bomba 2. Tapa de la bomba Prensaestopas GG 25 Rg 5 Anillos de Desgaste del cuerpo y la tapa GG 25 Rg 6; C-84400 Ejecución normal: GG-25, GGG-45 Ejecución especial DIN Rg – 5 ( Bronce rojo) Bronce sin cinc: DIN G-Cu Sn 10 Bronce al aluminio DIN G- Cu Al Ni Elementos constructivos tipo carcasa o tapa - Tapa de rodamiento - Soporte del palier Ejecución normal: GG-25, GGG-45 Eje Motor - Bomba: - Ejecución normal: Acero inoxidable 13 % Cr ( AISI 420 o AISI 410 ) - Ejecución especial Acero inoxidable AISI 316 Impulsor: GG 25 AISI 316 DIN G-Cu Sn 10 DIN G- Cu Al Ni Noryl con fibra de vidrio Policarbonato Poliamida Cojinetes: Bronce al plomo DIN G- Cu Pb Sn Camisas de eje (E) AISI 431 B (C) AISI 316 Bancada: S 235 JR Tornillos y espárragos roscados: Ejecución normal: Ac. inox. AISI 410 Acero cincado Acero bicromatado Ejecución especial: Ac. inox AISI 304/ 316 Tuercas: Ejecución normal: Latón Acero cincado Acero bicromatado Ejecución especial: Ac. inox AISI 304/ 316 Retenes, Lanzagotas, y junta cuerpo: Caucho Nitrilo Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 340 MATERIALES PARA VÁLVULAS Una válvula consta de dos partes fundamentales: 1. EL CUERPO Y LOS ELEMENTOS INTERNOS 2. EL SISTEMA DE ACCIONAMIENTO. 1. CUERPO Y ELEMENTOS INTERNOS DE LA VÁLVULA En el cuerpo de la válvula es un receptáculo que aloja los elementos que regulan el paso del fluido modificando el área de flujo: el obturador y al asiento. El tipo de válvula (mariposa, compuerta, antirretorno, etc.) determina la forma geométrica y constructiva del cuerpo. Los extremos del cuerpo van conectados a la tubería, mediante rosca o embridados. Hasta 2,5” las válvulas son normalmente roscadas y a partir de ese diámetro son embridadas, efectuándose la unión por juego de bridas y contrabridas, unidas entre sí por tornillos y en medio las juntas de unión. La tapa es una pieza que cierra el cuerpo, a través de la cual se desliza el vástago (eje o husillo) del obturador, accionado manualmente o mediante un motor. La tapa soporta asimismo el dispositivo de estanqueidad en la penetración del vástago. Estanqueidad. Entre la tapa y el vástago se dispone una caja de empaquetadura para evitar la fuga del fluido al exterior. La empaquetadura normal consiste en unos anillos de algodón, o teflón (temperatura máxima de servicio de 200 ºC) comprimidos mediante una tuerca, que no proporciona una estanqueidad completa. Por ello, en el caso de fluidos muy corrosivos o muy tóxicos, se requieren fuelles de estanqueidad que, al estar unidos por un extremo al vástago y por el otro a la tapa, proporcionan un sello prácticamente perfecto. Juntas. Su misión es el cierre estanco entre tapa y cuerpo o entre bridas y contrabridas. Suelen ser de materiales elastómeros o teflón . 2. SISTEMA DE ACCIONAMIENTO Su misión es transmitir fuerza necesaria para mover los elementos internos del cuerpo y provocar así un cambio en el grado de abertura de la válvula. El sistema de accionamiento de la válvula puede ser manual (volante, maneta...) o a través de un servomotor (eléctrico, hidráulico, neumático). 341 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MATERIALES PARA VÁLVULAS (I) Casquillos o cojinetes sobre los que gira el eje: -Bronce autolubricado (C- 7350) - PTFE (teflón). Eje, husillo o vástago: Ac. inox. e AISI 420 (13 % Cr ). Elementos internos (Obturador y Asiento) -Fundición dúctil GGG- 40, recubierta de elastómero EPDM. Junta cuerpo - tapa: Nitrilo -Ac inox AISI 316 / 316 L -Ac ero inox AISI 440 C -Ac. Inox. AISI 17-4PH - Estelita Anillo de estanqueidad: Elastómero EPDM Cuerpo y Tapa de Válvula Válvulas de Retención: Asiento del cuerpo: NBR acero inox. AISI 304 o Bronce Asiento de la clapeta: NBR, elastómero de poliuretano o Bronce. - Fundición GGG 40 revestida con epoxy 50 µm La tuerca que acopla el obturador al eje será de bronce ó latón especial -Acero al Carbono moldeado revestida con epoxy 50 µm -Acero inoxidable 316 / 316 L -Aluminio Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MATERIALES PARA VÁLVULAS (II) VÁLVULA DE COMPUERTA VÁLVULA DE BOLA 342 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 343 MATERIALES METÁLICOS PARA TUBERÍAS Se consideran los siguientes apartados: 1. TUBERÍAS DE ACERO AL CARBONO 2. TUBERÍAS DE FUNDICIÓN DÚCTIL 1. TUBERÍAS DE ACERO AL CARBONO Este tipo de tubería se fabrica en un amplio rango de diámetros, desde 400 mm hasta 3600 mm, e incluso superiores. Su máxima utilización, en los países en que tiene una amplia tradición (Estados Unidos) corresponde al rango de diámetros 400 mm a 1500 mm. Ha sido práctica común en el pasado dotar de un espesor mínimo de 6 mm las paredes de la tubería para diámetros superiores a los 600 mm, lo que resulta conveniente tanto para prevenir posibles colapsos de la tubería por depresión, como por constituir un factor de seguridad adicional ante una hipotética corrosión (la corrosión implica pérdida de material y aumento de la rugosidad y por tanto de las pérdidas de carga). En cualquier caso, los revestimientos que se aplican así como la utilización de la protección catódica ha posibilitado disminuir estos espesores de pared sin pérdida de eficacia. Las ventajas de la tubería de acero son un coste de instalación relativamente discreto, baja fragilidad y un amplio rango de tipos de juntas y diámetros disponibles. Asimismo es muy resistente a condiciones extremas de operación, pudiendo llegar a soportar presiones internas de hasta 400 m.c.a. Su principal desventaja radica en el riesgo de corrosión externa, por lo que se aconseja un recubrimiento con tratamientos bituminosos especiales. En las instalaciones de tratamiento de agua a las que se refiere este trabajo, la tuberías de aceros se utilizan fundamentalmente en los colectores de aspiración e impulsión de los bombeos, y en aquellos tramos de las instalaciones donde se requieren trabajos de calderería (cortar, soldar, doblar,etc.) que resultaría muy dificultoso realizar con tuberías de fundición. Para los trazados rectos de la red son de uso preferentemente las tuberías de fundición dúctil. Las calidades utilizadas habitualmente para las tuberías de acero son: S235JR y S275JR 2. TUBERÍAS DE FUNDICIÓN DÚCTIL. La fundición dúctil ha sustituido a la fundición gris, tradicionalmente utilizada para la fabricación de tuberías y que cayeron en desuso por su elevada fragilidad y su vulnerabilidad a la corrosión, sobre todo en terrenos agresivos. La actual fundición dúctil ha resuelto en gran medida tales inconvenientes. Contiene aproximadamente un 3,5% de carbón en forma esferoidal o de nódulos lo que le confieren su ductilidad. En cuanto a su vulnerabilidad a la corrosión, los revestimientos que se llevan a cabo con las tecnologías actuales son muy eficaces y este problema queda plenamente resuelto salvo en casos muy especiales. Las ventajas de la fundición dúctil son su elevada resistencia y baja fragilidad, así como su fácil mecanización. Asimismo, como consecuencia de su elevado módulo elástico E, presenta para una resistencia a la presión interior muy elevada que la hace especialmente competitiva cuando las instalaciones están sometidas a elevadas presiones. Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 344 Normativa relativa a la fabricación de tubería y accesorios de fundición dúctil En el caso de abastecimiento a poblaciones, la norma utilizada es la EN 545 – 2002. Si se trata de tubería de fundición dúctil utilizada en saneamiento de aguas, o aguas residuales en conducciones a presión, se sigue la norma EN 598 – 1996. Las normas anteriores exigen a las tuberías de fundición las siguientes características mecánicas: - Resistencia a la tracción: ≥ 420 N/mm2 - Alargamiento de rotura ≥ 10 % - Dureza Brinell ≤ 230 HB. Es decir, la fundición dúctil de los tubos presenta características comprendidas entre las de GGG40 y las de GGG50. Juntas de unión y estanqueidad entre tubos La unión entre tubos y accesorios se realiza mediante los siguientes sistemas: a) Junta automática flexible Los elastómeros para la realización de estas juntas suelen ser EPDM ó NBR b) Junta mecánica c) Compresión brida-brida, con su correspondiente junta de estanqueidad Espesor de pared de los tubos Es frecuente que en se indique adoptar un espesor de pared correspondiente a la clase K 9; esto significa que el espesor de la pared del tubo responde a la fórmula: e = k × (0,5 + 0,001×DN) donde k = 9 y DN es el diámetro nominal del tubo. Estas tuberías son indicadas para las impulsiones, ya que resisten perfectamente las presiones de bombeo, así como los golpes de ariete y depresiones que se originan en la apertura o cierre brusco de las válvulas y arranques o paradas de las bombas. 345 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua MATERIALES METÁLICOS PARA TUBERÍAS TUBERÍAS DE ACERO AL CARBONO TUBERÍAS DE FUNDICIÓN DÚCTIL Accesorios Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua ACCESORIOS: TORNILLERÍA ACERO INOXIDABLE ACERO ACERO ZINCADO BICROMATADO Interesa que los elementos roscados (tornillos, tuercas, tapones) se fabriquen con materiales que no generen óxido, como el acero inoxidable o recubrimientos como el zincado o bicromatado, ya que de lo contrario, tras un cierto tiempo tras el montaje, será muy dificultoso proceder al desenroscado (obsérvese la imagen superior y la de la izquierda). 346 Materiales en Instalaciones de Tratamiento y Conducción de Agua 347 5. BIBLIOGRAFÍA MATERIALES METÁLICOS - Corrosión y Control de Corrosión Herbert H. Uhlig Urmo SA Editores - Teoría y Práctica de la Lucha contra la Corrosión Consejo Superior de Investigaciones Científicas - Corrosión y Protección metálica. Nuevas Tendencias. Consejo Superior de Investigaciones Científicas - Cuadernos de Tecnología de Pinturas: Protección Anticorrosiva del Acero AETEPA ( Asociación Española de Técnicos en Pinturas y Afines ) - Química y Tecnología de Pinturas y Revestimientos J. Bentley y G.P.A Turner (A. Madrid Vicente, Ediciones) - Corrosión y Degradación de Materiales Enrique Otero Huerta ( Editorial Síntesis) - Ciencia de los Materiales (Metalurgia General) - 4º Curso ESI Sevilla - Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales W.D. Callister, Jr. (Editorial Reverté, S.A. 1.995) - Selección de Bombas para la Industria Alimentaria Artículo de M. Fabian, M. Galdeano y M. Raventós de la Escuela Superior de Agricultura de Cataluña.
