diseño de la planta de tratamiento de agua residual del municipio el
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RECUBRIMIENTOS NECESARIOS EN CONSTRUCCIONES CIVILES CON ESTRUCTURAS DE ACERO PARA EVITAR LA PRESENCIA DE CORROSIÓN Y MANTENIMIENTOS ESTRUCTURALES EDWARD ANDRÉS BERGAÑO AGUILAR UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2015 RECUBRIMIENTOS NECESARIOS EN CONSTRUCCIONES CIVILES CON ESTRUCTURAS DE ACERO PARA EVITAR LA PRESENCIA DE CORROSIÓN Y MANTENIMIENTOS ESTRUCTURALES EDWARD ANDRÉS BERGAÑO AGUILAR Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Civil Directora MARISOL NEMOCÓN RUIZ Ingeniera Civil Especialista en Estructuras Codirector YOBANI OSCAR NIÑO RODRÍGUEZ Ingeniero Civil Especialista en Estructuras UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2015 Nota de aceptación ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ Director de Investigación Ing. Marisol Nemocon Ruiz ______________________________________ Asesor Métodológico Ing. Yobanni Oscar Nino Rodriguez ______________________________________ Jurado Bogotá D.C., junio de 2015 CONTENIDO pág. INTRODUCCION 15 1. 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.4 1.5 1.5.1 1.5.1.1 1.5.2 1.5.3 1.6 1.6.1 1.6.2 1.7 GENERALIDADES ANTECEDENTES PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Descripción del problema Formulación del problema OBJETIVOS Objetivo general Objetivos específicos JUSTIFICACIÓN MARCO DE REFERENCIA Marco teórico Preparación de superficies de acero Protección por recubrimientos metálicos Protección por recubrimientos no metálicos ALCANCES Y LIMITACIONES Alcances Limitaciones METODOLOGÍA 16 16 16 16 17 17 17 17 18 18 18 18 20 20 21 21 21 21 2. 2.1 2.1.1 2.1.2 ANÁLISIS DEL FENÓMENO CORROSIÓN EN MATERIALES CORROSIÓN Naturaleza electroquímica de la corrosión Métodos de protección contra la corrosión 23 23 24 26 3. 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.3 3.2 3.2.1 3.2.1.1 3.2.1.2 3.2.1.3 3.2.1.4 3.2.1.5 3.2.1.6 RECUBRIMIENTO POR GALVANIZADO DISEÑO PARA GALVANIZAR UNA ESTRUCTURA Reglas básicas Condiciones relativas a la composición del acero Influencia del silicio Influencia del fósforo Como evitar las retenciones del ácido PREPARACIÓN DE MATERIAL A GALVANIZAR Alistamiento del material en negro a galvanizar Desengrase Decapado Enjuague Flux o salado Secado Galvanizado por inmersión en caliente 30 30 30 32 32 32 33 33 35 35 41 44 44 45 47 pág. 3.3 3.8.1 3.8.2 3.8.3 3.8.4 3.8.5 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS ACEROS GALVANIZADOS EN CALIENTE Resistencia y durabilidad Fragilidad Aplicaciones críticas Susceptibilidad a la fragilidad por envejecimiento Trabajo en frío Fragilidad por hidrógeno Proceso de galvanización Resistencia a la fatiga RENDIMIENTO CONTRA LA CORROSIÓN Resistencia contra la corrosión atmosférica Rendimiento en otros ambientes COSTOS Y ECONOMÍA Costo inicial Costo total de la vida en servicio. Durabilidad y vida útil Costos actuales de un sistema de protección CONTROL CALIDAD A PIEZAS GALVANIZADAS Acabado del recubrimiento TIPOS DE APARIENCIA EN RECUBRIMIENTOS GALVANIZADOS Recubrimiento en gris opaco Manchas de oxidación Aspereza general Sin uniformidad y drenaje Grumos o granos Corrosión blanca Manchas de flujo Retoque de revestimientos dañados Medición del peso o el espesor del recubrimiento PINTADO DEL ACERO GALVANIZADO EN CALIENTE 72SISTEMA DUPLEX Efecto sinérgico Ventajas del sistema dúplex Cómo pintar sobre galvanizado Limpieza para aplicación de primer Perfil de anclaje 4. 5. CONCLUSIONES RECOMENDACIONES 3.3.1 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.2.3 3.3.2.4 3.3.2.5 3.3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.6 3.6.1 3.7 3.7.1 3.7.2 3.7.3 3.7.4 3.7.5 3.7.6 3.7.7 3.7.8 3.7.9 3.8 BIBLIOGRAFÍA 48 48 49 49 49 49 49 50 50 50 50 53 56 57 57 60 63 64 65 65 65 66 68 68 69 70 71 72 72 73 74 76 77 79 80 81 83 85 LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Tabla 2. Tabla 3. Tabla 4. Tabla 5. Tabla 6. Tabla 7. Tabla 8. Tabla 9. Clasificación de los ambientes La vida útil de las estructuras de acero galvanizado Corrosión del acero galvanizado derivados del contacto con otros metales Comparativo de un Angulo de 2”x1/4” Comparativo de una Viga IPE 200 Comparativo del costo a 30 años de un Angulo de 2”x1/4” Comparativo del costo a 30 años de una Viga IPE 200 Costo galvanizado vs. Costo pintura Resumen de las variaciones en el acabado de los materiales galvanizados 51 52 56 61 62 62 62 63 65 LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Figura 2. Figura 3. Figura 4. Figura 5. Figura 6. Figura 7. Figura 8. Figura 9. Figura 10. Figura 11. Figura 12. Figura 13. Figura 14. Figura 15. Figura 16. Figura 17. Figura 18. Figura 19. Figura 20. Figura 21. Figura 22. Figura 23. Figura 24. Figura 25. Figura 26. Figura 27. Figura 28. Figura 29. Figura 30. Figura 31. Figura 32. Figura 33. Figura 34. Figura 35. Figura 36. Limpieza por chorro de arena Esquema de la corrosión de un metal Tipos de corrosión en un metal más comunes Probetas de inspección anticorrosiva Destijeres en secciones tubulares cuadradas Destijeres en cerchas tubulares Destijeres en vigas Acumulación de zinc Estructuras sin perforación de desfogue Estructuras que permite la acumulación de zinc interno Columnas con buen alistamiento Conexión de todas las piezas Desfogues en cerchas Tanque desengrasante Remoción de impurezas manualmente Tanque de ácido para decapado Tanque de enjuague Tanque de flux o salado Cerramiento horno de secado Galvanizado en caliente Galvanizado en caliente a doble inmersión Mapa de corrosión Costos de la vida en servicio Costos a lo largo del ciclo de vida Gráfica durabilidad Gráfica comparativa de costos Recubrimiento en gris opaco Manchas de oxidación Aspereza general Sin uniformidad y drenaje Grumos o granos Corrosión blanca Corrosión blanca Esquema sistema dúplex Reacción de difusión entre el zinc y el acero Esquema de un recubrimiento que falla y se produce corrosión Figura 37. Sistema dúplex en una torre de comunicación 19 25 26 29 34 34 35 37 37 38 39 39 40 41 43 43 44 45 46 47 48 53 58 59 60 64 66 67 68 69 70 71 72 74 76 76 78 GLOSARIO ABRASIÓN: desgaste de la superficie metálica, producido por rayado continuo, usualmente debido a la presencia de materiales extraños en un material. ACERO CALMADO CON ALUMINIO: un acero calmado con aluminio tiende a impedir ampliamente el crecimiento de la aleación cuando se galvaniza, produciendo recubrimientos más delgados y estéticamente presentables. ACERO: aleación de hierro y carbono, en diferentes proporciones, que adquiere con el temple gran dureza y elasticidad. Este material es versátil, resistente y con capacidad para ser reciclado. El acero también puede ser empleado en una amplia gama de ambientes que incluyen temperaturas extremas y en climas tanto cálidos como húmedos. ACEROS CALMADOS CON SILICIO: aceros con altos niveles de silicio son muy reactivos con el zinc fundido y puede formar recubrimientos muy gruesos, al menos un 50% más grueso que un recubrimiento normal. Por lo tanto, los recubrimientos que se forman son más opacos o mates y pueden ser más susceptibles a daños mecánicos, pero otorgan proporcionalmente una mayor vida en condiciones de servicios. AGUJEROS TAPADOS: el zinc fundido tiene una alta tensión superficial y no es fácil el drenaje en los agujeros menores de 8mm de diámetro. ÁREA CENTRIFUGADO: se refiere a la línea de galvanizado centrifugado, implementada para el galvanizado de elementos y piezas pequeñas. ÁREA ESTRUCTURAS: se refiere a la línea de galvanizado, con capacidad para procesar elementos de hasta 6.90 m de longitud en una sola inmersión. ÁREAS DESCUBIERTAS: son los defectos en los recubrimientos galvanizados por inmersión en caliente, debido a la falta de limpieza en la superficie de acero. ASPEREZA: desigualdad de una superficie que produce falta de suavidad. Los factores que afectan la aspereza superficial incluyen la geometría del filo, la exactitud, el desgaste de la estructura metálica, las condiciones de corte. BAÑO DE ZINC FUNDIDO: es aplicado sobre el acero adecuadamente limpio, ya sea como un proceso general o continuo, su principal función es proteger las estructuras de acero contra la corrosión. CALIBRADOR MAGNÉTICO DE ESPESORES: instrumento de medición específico para espesores de recubrimientos. CAPAS DE ALEACIÓN: el recubrimiento de galvanización por inmersión en caliente consiste de una serie de las capas de aleación de hierro y de zinc y una capa de zinc. Las capas de aleación mejoran las resistencia a la abrasión, aumenta la resistencia a la corrosión y permite que se aplique un recubrimiento grueso. CASCARILLA DE LAMINACIÓN: es una pesada capa de óxido formado durante el laminado en caliente, soldadura o tratamiento térmico de metales. CENIZA: escoria formada como subproducto de la reacción entre el acero, Cinc y sales quemadas. CENTRIFUGA: aparato que sirve para separar el cinc de las piezas galvanizadas por la fuerza centrífuga. CENTRIFUGADO: proceso mediante el cual se retira el exceso de Cinc de piezas pequeñas, tales como tuercas o tornillos. Se aplica este término de manera genérica, para hacer referencia al proceso de galvanizado aplicado a tales elementos. CONTRAMUESTRA: para efectos de valoración, el proveedor trae una muestra de ácido, se toma la densidad y la concentración se establece bajo el certificado de calidad estos datos son registrados en el formato F-01-P005-G Recepción de Ácido Clorhídrico. CORROSIÓN BLANCA: es el nombre dado a los depósitos blancos que se forman en la superficie de la pieza con zinc, debido al almacenamiento o transporte en condiciones de mala ventilación o humedad. Se representa en un polvo blanco sobre la pieza, a pesar de la apariencia, la corrosión blanca no pone en peligro la capa de zinc original. CORROSIÓN: es el proceso de destrucción o deterioro químico de un material por la reacción con el medio que lo rodea. CUBA DE SECADO: provisto con alimentación de una corriente de aire caliente, en el cual se coloca el material para retirarle la película húmeda, producto de las inmersiones en diferentes tanques con ácido, agua y sales. CUBA O CONTENEDOR: tanque metálico utilizado para realizar el proceso de galvanizado en caliente. DAÑO MECÁNICO: para eliminar el óxido y cascarilla de laminación del acero se utiliza el ácido clorhídrico o ácido sulfúrico caliente antes del galvanizado por inmersión en caliente. DESTIJERES: aberturas de respiración en forma triangular realizadas en uniones de la estructura metálica. DOBLE INMERSIÓN: son piezas largas o granes pueden ser galvanizadas por inmersión en caliente sumergiendo cada extremo o lado en forma secuencial. DRENAJE: orificios o perforaciones que se realizan a los artículos que serán galvanizados en caliente, estos permiten la entrada y salida del zinc. DÚPLEX: es la aplicación de galvanizado en caliente más pintura. Esta aplicación tiene una durabilidad superior a la suma de los recubrimientos utilizados por separado. DURABILIDAD: capacidad de un material de resistir la acción del medio ambiente que lo rodea, de los ataques químicos, de la abrasión y de cualquier otro proceso de deterioro. ESCOFINA: herramienta abrasiva utilizada para pulir metales. ESCORIAS: mezcla de óxidos metálicos como consecuencia de las reacciones químicas que ocurren entre los componentes del baño, el oxígeno de la atmósfera, los fundentes remanentes empleados en los procesos previos de limpieza y los elementos componentes de la cuba y de las piezas de acero. Las escorias se acumulan en el fondo del horno de galvanizado y es eliminada periódicamente por los galvanizadores. ESPECIFICACIÓN: documento técnico que establece las disposiciones y requerimientos para las actividades de construcción y/o mantenimiento, materiales y servicios necesarios para la ejecución de las obras más frecuentes, en las que se incluyen las condiciones de recibo, medida, tolerancias y pago. GALVANIZADO POR INMERSIÓN EN CALIENTE: sistema de recubrimiento por inmersión en un baño de zinc fundido aplicado sobre el acero adecuadamente limpiado, ya sea como un proceso discontinuo o un proceso continuo.1 GANCHERA: estructura metálica que brinda soporte a los materiales que ingresan a la línea de galvanizado. GOTA: son imperfecciones del galvanizado causadas por la solidificación de los restos de Cinc no escurridos. 1 GALVANIZADO POR INMERSIÓN EN CALIENTE [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.polyuprotec.com>. GRADO DE ESPESOR: está determinado por la composición química, rugosidad de la superficie y espesor de la sección de acero. La norma SANS 121 (ISO 1461:2009) define el espesor mínimo normalizado del recubrimiento galvanizado en caliente. GRANALLADO: proceso de limpieza a piezas metálicas, por medio de un chorro de granalla, aplicado directamente sobre la pieza como medio abrasivo, este proceso es automático LOTE: este término es utilizado por el galvanizador al conjunto de elementos que se sumergen en la cuba de galvanizado, sostenidos de una ganchera para realizar una sola inmersión. MANTENIMIENTO: conjunto de actividades que deben realizarse a estructuras o elementos, con el fin de corregir o prevenir fallas, buscando que estos continúen prestando el servicio para el cual fueron diseñados. MATERIAL EN NEGRO: cualquier tipo de elemento de hierro o acero, que se MATERIAL EN PROCESO: es el material que ha sido ingresado a la línea de galvanizado o centrifugado. MATERIAL GALVANIZADO: es el material que ha sido sometido al proceso de recubrimiento con Cinc, para efectos prácticos este es nuestro producto terminado.2 METALÚRGICO: proceso del galvanizado en caliente que ocurre con la formación de capas o aleación, en este caso entre el acero base y el zinc líquido que se ancla y es representado como ánodo de sacrificio. OLLA: recipiente metálico provisto de orificios en el cual se realiza la inmersión de los tornillos al horno. OXIDO BLANCO: es un compuesto blanco voluminoso que se encuentra ocasionalmente en la superficie de un recubrimiento recién galvanizado, debido a la reacción del acero galvanizado con el oxígeno. PÁTINA: capa de óxido de color verdoso que por la acción de la humedad, se forma en los objetos de metal, y especialmente en los de bronce y cobre. 2 ANDI E INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO. Guía práctica de galvanizado por inmersión en caliente [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://app.idu.gov.co/geodata/doc/guia_galvanizado_24nov14%20%281%29.pdf>. PIEZAS CENTRIFUGADAS: son pequeñas piezas galvanizadas por inmersión en caliente y luego tratadas por rotación o centrifugación en un recipiente cilíndrico para eliminar el exceso de zinc. Utilizado para pernos, arandelas, cadenas etc. PINTURA: color preparado para pintar. Representación gráfica utilizando pigmentos mezclados con otras sustancias aglutinantes orgánicas o sintéticas. POLIPASTO: sistema de transporte electromecánico, que se desplaza sobre un único riel, levantando y transportando el material en forma lineal. PRODUCTO NO CONFORME EN GALVANIZADO: es el producto que no cumple con los requisitos especificados por el cliente y/o normas técnicas NTC 2076 – NTC 3320. PRUEBAS MAGNÉTICAS: el espesor de recubrimiento galvanizado por inmersión en caliente se mide empleando instrumentos basados en principios de flujo magnético, lo cual es medio la distancia desde la superficie del recubrimiento hasta la superficie del recubrimiento hasta la superficie del acero. PUENTE GRÚA: sistema de transporte electromecánico, que se desplaza sobre el área de trabajo mediante rieles, el puente grúa iza los materiales y los transporta al lugar deseado por su operario. RESTAURACIÓN O REPARACIÓN: arreglo de zonas dañadas del recubrimiento galvanizado que han sido ocasionadas por soldadura, corte con llama o daños provocados por manejo inadecuado durante el transporte o montaje. SAND BLASTING: proceso de limpieza a piezas metálicas, por medio de un chorro de arena, aplicado directamente sobre la pieza como medio abrasivo. SHOT BLASTING: proceso de limpieza a piezas metálicas, por medio de un chorro de granalla, aplicado directamente sobre la pieza como medio abrasivo, este proceso lo realiza un operario SOLDADURA: proceso de unión de dos piezas metálicas o de dos partes de una misma pieza de modo que formen un todo continuo por aplicaron de calor. VELOCIDAD EN LA LÍNEA: se refiere al número de gancheras por hora que pueden ser alistadas para su inmersión en el horno de galvanizado. VENTILACIÓN: todos los huecos deben ser ventilados correctamente para permitir el escape del aire y del vapor sobre calentado durante la inmersión de las piezas en el baño de zinc fundido.3 VIDA ÚTIL: periodo de tiempo comprendido entre la ejecución de una estructura hasta que se alcance un cierto y determinado nivel aceptable de deterioro de la misma. ZINC: el zinc es un mineral esencial para la sociedad moderna. Se usa como revestimiento contra la corrosión en el acero, para fabricar componentes de precisión, como material de construcción para producir bronce y caucho, en la elaboración de productos farmacéuticos y cosméticos, en fertilizantes y suplementos alimenticios. ZONAS DESNUDAS: sectores de las piezas de metal que luego del proceso de galvanizado quedan desprovistos de recubrimiento de zinc. 3 ORGANIZACIÓN IBEROAMERICANA DE PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.opcicolombia.org>. INTRODUCCIÓN El acero en Colombia ha tomado mucha fuerza en las construcciones civiles del sector público y privado, el país está en vía de desarrollo viviendo procesos de evolución en varios aspectos, tanto a nivel económico, cultural, deportivo así como a nivel estructural; esto debido a varios factores como el aumento del poder adquisitivo, la inversión extranjera y nacimiento de nuevas empresas impulsando lo más novedoso en tecnología de construcción con acero. Bogotá como ciudad capital ha sido la pionera en adquirir estructuras hechas en acero su éxito ha sido gracias a su fácil fabricación, transporte y la disminución de tiempos en la intervención de la malla vial lo cual evita traumatismos a una ciudad con 7´878.783 habitantes aproximadamente, este tipo de construcciones lo ha tomado como ejemplo en el país grandes ciudades como lo son Medellín, Cali, Barranquilla, Cartagena entre otras. Las diferentes condiciones atmosféricas de cada ciudad del país afectan las estructuras que son construidas con acero principalmente por la variación de humedad relativa. Debido a los diferentes tipos de fenómenos naturales es muy importante analizar los tipos de corrosión que se presentan en estructuras como puentes vehiculares, peatonales, estaciones de transporte masivo, paraderos, postes de alumbrado público y demás estructuras que por su temprano deterioro puedan afectar el normal funcionamiento de las ciudades del país. En Colombia las construcciones de obra civil están regidas por normas como lo son la Norma Sismo Resistente del 2010 y las adaptaciones que tiene la Norma Técnica Colombiana, estas normas tienen algo en común y muy importante como lo es velar por el respeto de la vida humana para esto hay nuevas y novedosas tecnologías para evitar que una construcción a partir de estructura metálica colapsé en poco tiempo gracias a la protección a la corrosión. El presente trabajo de grado pretende consolidar los diferentes procedimientos, consideraciones y aplicaciones que se deben tener en cuenta para recubrir las superficies de acero al carbono para aumentar su vida útil sin ningún tipo de mantenimiento durante un periodo mayor a los 30 años. 15 1. GENERALIDADES 1.1 ANTECEDENTES De acuerdo a estudios realizados con la industria del acero en Colombia más de 26 mil millones de pesos se pierden debido a la corrosión de materiales. Esto puede suceder por almacenar los perfiles o las láminas en lugares al aire libre o hasta en el mismo transporte de los materiales del exterior a las diferentes ciudades de Colombia. Los perfiles de acero son exportados de países como China, Japón, Ucrania, Rusia, Corea del Sur y Turquía como mayores exportadores.4 El costo que genera el fenómeno de la corrosión implica una parte importante del producto interno bruto (PIB) según ASEDUIS Asociación Egresados Universidad Industrial de Santander, la corrosión ocurre en un amplio campo de ejemplos, fácilmente los podemos evidenciar en lugares comunes como lo son puentes peatonales de acceso a transporte masivo, parques públicos, estaciones y postes metálicos de alumbrado público. La corrosión en los materiales usados para la construcción de estructuras metálicas es uno de los factores de deterioro más importante debido a que por la aparición de este fenómeno con el pasar de los años es necesario reforzar las estructuras debido a su desgaste y perdida de resistencia, la corrosión aparece por una reacción química llamado electrolisis y constituye una de las pérdidas económicas más grande de la civilización moderna. La norma NSR-10 cita en el titulo F las estructuras metálicas y habla sobre la corrosión que se genera al soldar y las calidades de acero que soportan corrosión. En el numeral F.2.13.3 habla de la pintura en taller pero no explica cómo se deben preparar las posiciones o conjuntos soldados para evitar futuras apariciones de corrosión. Dadas las razones anteriores se considera viable este proyecto de grado dado que en este se van consolidar los procesos en que se ha evolucionado el tratamiento químico para la prolongación de la vida útil de las estructuras metálicas. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.2.1 Descripción del problema. El ingeniero civil actual que se dedique ya sea al diseño, fabricación o montaje de obra civil con estructura metálica en realidad 4 UNIVERSIA COLOMBIA. Más de 26 mil millones de pesos pierde la industria colombiana debido a la corrosión de materiales [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://noticias.universia.net.co/actualidad/noticia/2013/08/29/1045848/mas-26-milmillones-pesos-pierde-industria-colombiana-debido-corrosion-materiales.html>. 16 tiene los conocimientos para afrontar y solucionar problemas que se le puedan presentar actualmente y en el futuro en la estructura como lo es la corrosión, teniendo como parte del análisis de la problemática la movilidad que tienen las principales ciudades colombianas, ya que para su mantenimiento se requiere de maquinaria pesada lo cual obstaculiza el paso de vehículos. 1.2.2 Formulación del problema. La corrosión es la causa general de la destrucción de la mayor parte de acero en el mundo, la producción de acero y las mejoras de sus propiedades mecánicas han hecho del acero un material muy útil, junto con estas mejoras se está pagando el 25 % de la producción mundial de la corrosión. La corrosión constituye una de la perdidas económicas más grandes de la civilización moderna, la rotura de tubos de escape; la rotura de tanques de almacenamiento de agua y conductos de los mismos; el derrumbe de un puente peatonal o vehicular, o la rotura de un oleoducto que transporta crudo que aparte de que hay perdidas en el arreglo también hay contaminación ambiental del petróleo derramado que muchas veces es irreversible, así como también el paro de la refinería. 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo general. Diseñar un documento para el ingeniero civil de manera conceptual en lo que se refiere a tipos de recubrimientos para acero que sea usado en obras civiles de igual manera que si en la obra se le presenta el problema pueda mitigarlo fácilmente. 1.3.2 Objetivos específicos. Consolidar la información de recubrimientos para acero metálico y no metálico. Utilizar la asesoría de las empresas líderes en la investigación de recubrimientos de acero y hacer pruebas de laboratorio para comprobar su veracidad. Aportar a la disminución de corrosión en las obras de estructura metálica del sector público y privado y alargar su vida útil más de 30 años y evitar mantenimientos estructurales tempranos. 17 1.4 JUSTIFICACIÓN En un país como Colombia el clima es característico de la zona ecuatorial. Posee un clima tropical que mantiene una temperatura uniforme la mayor parte del año. Este es estudiado por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM). El clima de Colombia está determinado por los aspectos geográficos y atmosféricos que incluye: precipitaciones, intensidad radiación solar, temperatura, sistemas de vientos, altitud, continentalidad y humedad atmosférica. Estos factores desarrollan un amplio mosaico de climas y microclimas en Colombia. Que van desde los más calurosos a 30 °C en las costas y llanuras hasta lo más frío, temperaturas bajo 0 °C en los picos de las montañas de la Cordillera de los Andes y la Sierra Nevada de Santa Marta. 5 Basado en las diferentes escenarios climáticos que tiene nuestro país se plantea como alternativa óptima para futuras obras de ingeniería civil que se construyan con acero este proyecto de grado que consiste en la posibilidad de diseñar un documento el cual consolide los procesos para alargar la vida útil de las estructuras metálicas y así evitar mantenimientos a temprana edad de la estructura y causar traumatismo en vía publica o privada. Para lograr el contenido óptimo de este documento se pretende buscar el apoyo de empresas que fabriquen estos tipos de recubrimientos en las superficies del acero o que presten el servicio de entregar la pieza lista para montaje y entrega final, también se contempla con estas empresas hacer ensayos de calidades de recubrimiento para poder dar veracidad de prevenir la aparición de corrosión. 1.5 MARCO DE REFERENCIA 1.5.1 Marco teórico. 1.5.1.1 Preparación de superficies de acero. Es uno de los factores más importantes en la protección anticorrosiva de una instalación utilizando recubrimientos es la correcta limpieza o preparación de superficies. Si la superficie por recubrir está contaminada con aceite, humedad, suciedad, polvo, herrumbre, escamas de laminación o variedad de material suelto, el recubrimiento no podrá adherirse firmemente y su eficiencia de protección será nula. Esto también pasa cuando el material está en el proceso de fabricación y se le hace su respectiva identificación ya sea con tiza o Metal-Marquet esto causa contaminación en la pieza. Además del efecto sobre la adherencia, algunas 5 WIKIPEDIA. Factores del clima Colombia [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://es.wikipedia.org/wiki/Clima_de_colombia>. 18 impurezas tales como el óxido, la escoria o la suciedad contribuyen a la ruptura de la película por su avidez de humedad ocasionando el ampollamiento y la corrosión del metal bajo película según se muestra en la siguiente figura. Figura 1. Limpieza por chorro de arena. Fuente. CHEMICAR. Limpieza por chorro de arena [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http//www.chemicar.es/pintura-industrial>. El Acero es el material de construcción ampliamente utilizado en la fabricación de puentes vehiculares, peatonales, estaciones de transporte masivo, paraderos, postes de alumbrado público etc. Desde el punto de vista de preparación de superficies los principales contaminantes están representados, además de la grasa, aceite y suciedad, por la escoria y escama de laminación y la herrumbre. Inicialmente, tanto la escoria como las escamas pueden estar firmemente adheridas, no obstante, por efectos de dilatación y contracción térmica del material estas impurezas tienden a desprenderse por lo que cualquier recubrimiento que se aplique sobre ellas pueden sufrir el mismo efecto. Por otra parte estas impurezas, incluyendo la herrumbre, son más nobles en la serie galvánico, por lo que actúan como todos en presencia de humedad acelerando la corrosión del Acero. Los estándares principales referentes a preparación de superficie son los establecidos por: NACE: NACIONAL Americana). ASSOCIATION 19 CORROSION ENGINIERS (Norma BS 4232: BRITHISH STANDARDS INSTITUTION (Norma Británica) SIS 055900: SWEDISH STANDARDS INSTITUTION (Norma Sueca) SSPC: STEEL STRUCTURES PAINTING COUNCIL (Norma Americana) 1.5.2 Protección por recubrimientos metálicos. El control sobre la corrosión el elementos de acero al carbono es uno de los procedimientos más empleados contra la oxidación y corrosión es el recubrir la superficie que se desea proteger con una capa de metal auto protector lo más compacta y adherente posible en Colombia uno de los procedimientos más efectivos es el galvanizado. Si el metal protegido es menos electronegativo (catódico) que el protector (anódico), la protección tiene lugar aun en el caso de agrietamiento o descascarillado de la capa protectora. Lo contrario sucede si el recubrimiento es catódico, requiriéndose en este caso un recubrimiento perfecto, sin porosidad. Como ejemplo del primer caso tenemos el acero recubierto de Zn por medio del galvanizado y del segundo, al recubrirlo de Sn. La elección del metal empleado en el recubrimiento se hace de acuerdo con el metal que se ha de proteger, del objeto de que se trata y del espesor que se proyecta dar a la capa protectora. Los recubrimientos metálicos pueden aplicarse por varios procedimientos, podemos citar los siguientes: electrólisis, inmersión en el baño del metal protector, metalización, cementación y por chapado. Antes de proyectar un metal sobre una superficie, debe someterse está a una preparación previa, para obtener una buena adhesión del metal proyectado. A continuación los diferentes procesos de recubrimiento metálico que se pueden aplicar según la calidad de acero que se emplee a la estructura. Preparación de superficies de acero al carbono. Recubrimientos por electrolisis Recubrimientos por inmersión en calientes con metales fundidos 1.5.3 Protección por recubrimientos no metálicos. Los recubrimientos no metálicos se caracterizan por emplean una protección a la corrosión mínima, como lo es limpiar una pieza de acero desengrasarla, aplicar primera capa de anticorrosivo, barrera y una última de cavado visual. A continuación los diferentes procesos de recubrimiento no metálico que se pueden aplicar según la calidad de acero que se emplee a la estructura. Recubrimiento con fosfato Oxidación superficial 20 Esmaltado Pinturas para evitar corrosión. 1.6 ALCANCES Y LIMITACIONES 1.6.1 Alcances. Realizar un documento escrito donde consolide toda la información necesaria para construir estructuras con materiales de acero al carbono con una durabilidad mayor a 30 años y que sea tenido en cuenta para la próxima actualización de la NSR-10. Claridad de costos de ejecución de obras con recubrimientos estructurales a largo plazo versus recubrimientos a corto plazo con mantenimientos estructurales tempranos. Identificar la viabilidad de este tipo de recubrimientos en los diferentes escenarios climáticos del país. 1.6.2 Limitaciones. La información está dispersa y se consiguen solo tecnologías de recubrimientos a la corrosión comerciales. El suministro de la información en las diferentes empresas que investigan y venden los productos. 1.7 METODOLOGÍA Como primera medida se deben analizar y describir los aspectos por los cuales se atribuye el fenómeno de la corrosión a los perfiles laminados con acero al carbono, si la superficie del perfil ya está corroída por transporte o bodegaje como se debe tratar, establecer los parámetros de limpieza de la estructura para recubrimientos metálicos como los no metálicos, establecer que recubrimiento es el óptimo para garantizarle una vida útil mayor a 30 años y tener en cuenta que no en todas las calidades de acero se puede hacer recubrimientos. Todo lo anterior basado en los estudios hechos por las empresas líderes en el mercado que comercializa estos tipos de productos. Para tal fin se consultara las siguientes fuentes: Consulta en empresas galvanizadoras en Bogotá y páginas de Internet. Consulta en empresas fabricantes de pinturas en Bogotá y páginas de Internet. 21 Consulta en las normas de inspección NACE: Nacional Association Corrosion Enginiers (Norma Americana). Identificar la problemática actual que se presenta con la corrosión en las estructuras. 22 2. ANÁLISIS DEL FENÓMENO CORROSIÓN EN MATERIALES Los metales están constantemente expuestos a la acción de la atmósfera, que como se sabe, está compuesta principalmente de 79 partes de nitrógeno y 21 partes de oxígeno. Como el nitrógeno es un gas muy poco activo, puede decirse que prácticamente inerte, toda la acción atmosférica depende de la actividad del oxígeno, que no es mucha por estar en estado molecular (con enlaces homopolares formando moléculas de O2). Por otra parte, los metales son muy estables, resulta que, sin la intervención de otro agente, la acción del oxígeno solo sobre los metales resulta muy débil, los agentes colaboradores del oxígeno son principalmente dos: el calor y la humedad. El oxígeno con el calor produce la oxidación de los metales y el oxígeno con la humedad produce la corrosión. Ambos procesos son completamente distintos, aunque se emplean generalmente protecciones comunes para prevenirlos. 2.1 CORROSIÓN Se define la corrosión, en general, como la destrucción lenta y progresiva de un metal por la acción de un agente exterior. Uno de los factores que limitan la vida de las piezas metálicas en servicio es el ataque químico o físico-químico que sufren en el medio que les rodea.6 Los metales están continuamente expuestos a la acción atmosférica, que, como ya se ha dicho, está compuesta principalmente de 79 partes de nitrógeno y 21 partes de oxígeno. También sabemos que el nitrógeno es un gas prácticamente inerte, por lo que la acción atmosférica depende prácticamente del oxígeno. Los metales son por lo general bastante estables por lo que sin colaboración de otro agente la acción del oxígeno sobre estos es muy débil. Por lo tanto, la corrosión atmosférica es la producida por la acción combinada del oxígeno del aire y la humedad. Pero existe también la corrosión química, producida por la acción de los ácidos y los álcalis. Como en la atmósfera siempre existe humedad a la temperatura ambiente, los metales se destruyen más por corrosión que por la oxidación. Siendo sus efectos mucho mayores en los metales que se encuentren en contacto directo con agua, como por ejemplo, las estructuras marinas. 6 CUESTA FERNÁNDEZ, Francisco Luis. Análisis del fenómeno de la corrosión en materiales de uso técnico: metales, procedimientos de protección [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://campaign.r20.constantcontact.com/render?ca=4239f6e7-0f32-4ceb-a10ce51fbe59bbe3&c=9f65b360-0921-11e3-bc6e-d4ae52754950&ch=9f6983f0-0921-11e3-bc6ed4ae52754950>. 23 La corrosión es un fenómeno espontáneo que se presenta prácticamente en todos los materiales procesados por el hombre. Si bien existen varias definiciones, es común describir la corrosión como una oxidación acelerada y continua que desgasta, deteriora y que incluso puede afectar la integridad física de los objetos o estructuras. La industria de la corrosión, si por ello entendemos todos los recursos destinados a estudiarla y prevenirla, mueve anualmente miles de millones de dólares. Este fenómeno tiene implicaciones industriales muy importantes; la degradación de los materiales provoca interrupciones en actividades fabriles, pérdida de productos, contaminación ambiental, reducción en la eficiencia de los procesos, mantenimientos y sobre diseños costosos. Se estima que los gastos atribuidos a los daños por corrosión representan entre el 3 y el 5 por ciento del producto interno bruto de los países industrializados; solamente hablando del acero, de cada diez toneladas fabricadas por año se pierden dos y media por corrosión. Por esta razón, cada día se desarrollan nuevos recubrimientos, se mejoran los diseños de las estructuras, se crean nuevos materiales, se sintetizan mejores inhibidores, se optimizan los sistemas de monitoreo. Todo esto en un esfuerzo permanente por minimizar el impacto negativo de la corrosión. 2.1.1 Naturaleza electroquímica de la corrosión. La corrosión es un fenómeno de naturaleza electroquímica que cumple con las características fundamentales de una pila o batería. Para que se forme una celda electroquímica, o celda de corrosión, se requiere la presencia de un material que cede electrones en contacto con otro que los acepta, y de un medio conductor de iones. El material que pierde electrones se conoce como ánodo y es el que experimenta la reacción de oxidación, mientras que el material que acepta los electrones se reduce y se le llama cátodo; el medio en el que se encuentran el ánodo y el cátodo y que permite el flujo de iones se conoce como electrolito. La oxidación, a pesar de la etimología de la palabra, no necesariamente involucra el oxígeno; la definición química es una pérdida de electrones. El mecanismo de la corrosión puede ilustrarse a través de un material metálico inmerso en una solución de HCl –ácido clorhídrico–. En el caso del zinc, los átomos metálicos Zn ceden electrones convirtiéndose en cationes (Zn++) mientras que los iones H+ aceptan estos electrones formando moléculas de H2 (figura 2). Las reacciones involucradas son la disolución del zinc para formar ZnCl2 y la producción de gas H2. Reacción anódica: Zn → Zn+2 + 2e Reacción catódica: 2H+ + 2e- → H2 24 Reacción neta: Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2. Todos los metales presentan una tendencia a perder electrones –oxidarse– cuantificada a través de su potencial de oxidación. Entre más alto sea este potencial se dice que el metal es más noble –se oxida con mayor dificultad–. La tabulación de la resistencia de los materiales metálicos a la corrosión se conoce como serie galvánica. Las series galvánicas son particulares al medio corrosivo – por ejemplo, hay series galvánicas en solución salina, en solución ácida, etc. –, y son de gran utilidad a la hora de seleccionar un material para una aplicación específica en la figura 2 esquema de la corrosión de un metal, Zn que se oxida a Zn+2 mientras que sus electrones reaccionan con el H+ del medio produciendo H2. Figura 2. Esquema de la corrosión de un metal. Fuente. CORTEZ, María Teresa y ORTIZ, Pablo. Corrosión [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: https://www.google.com.co/search?q=%3C+Apuntes científicos uniandinosnúmero cuatro>. La corrosión se suele clasificar de acuerdo a la forma en que se manifiesta, es decir, a la apariencia del material corroído (figura 3). La corrosión uniforme es la más común y la que genera mayores pérdidas de material. Sin embargo, al ser de tipo superficial es también la más fácil de controlar y por tanto la que menos accidentes provoca. Por otro lado, la corrosión por picaduras es un fenómeno localizado que se manifiesta por anomalías que crecen rápidamente hacia el interior del material y que pueden generar daños catastróficos. 25 Existen otros tipos de corrosión y la figura 2 esquematiza algunos de ellos. El desarrollo de un mecanismo Zn, que se oxida a Zn+2 mientras que sus electrones reaccionan con el H+ del medio produciendo H215 terminado se relaciona con la naturaleza del ambiente corrosivo y con las características composicionales y micro estructurales del material. Todos estos factores, Incluyendo la selección de los materiales, deberán ser tenidos en cuenta al diseñar el método de protección del sistema. Por ejemplo, la corrosión galvánica se presenta por el contacto entre dos metales con potenciales de oxidación diferentes. El material menos noble con menor potencial de oxidación tenderá a corroerse. Esto lo vemos muy a menudo en algunos tornillos que remachan estructuras bastante más nobles que ellos. Por otro lado, la corrosión intergranular está directamente relacionada con la microestructura del material. Los metales o aleaciones están formados por granos; en este tipo de corrosión se presenta un ataque localizado en las fronteras de grano y está generalmente asociado a impurezas que tienden a acumularse en dichas fronteras.7 Figura 3. Tipos de corrosión en un metal más comunes. Fuente. CORTEZ, María Teresa y ORTIZ, Pablo. Corrosión [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: https://www.google.com.co/search?q=%3C+Apuntes científicos uniandinosnúmero cuatro>. 2.1.2 Métodos de protección contra la corrosión. La batalla contra la corrosión de los materiales se desarrolla en el campo de la termodinámica, y por eso es una 7 CORTEZ, María Teresa y ORTIZ, Pablo. Corrosión [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: https://www.google.com.co/search?q=%3C+Apuntes científicos uniandinosnúmero cuatro>. 26 batalla que está perdida. El hombre solamente puede prolongar la vida útil de sus herramientas y estructuras, puede aliarse con la cinética y hacer creer que existen los aceros inoxidables, las pinturas anticorrosivas y los inhibidores de corrosión. Para entender las dificultades implícitas y lo efímero que resulta cualquier método de protección contra la corrosión es necesario conocer primero el grado de estabilidad del material que se pretende proteger. En términos prácticos el orden de estabilidad expuesto en la tabla se mantiene para las condiciones presentes en la superficie del planeta. De este modo, si nos fijamos en los metales, el único elemento estable es el oro mientras que todos los demás tenderán a oxidarse. El cobre y la plata reaccionan con el aire, pero lo hacen de manera moderada y lenta, y por eso su obtención en altos niveles de pureza es una tarea relativamente sencilla. Es esta característica la que explica que estos hayan sido los primeros metales en ser descubiertos y trabajados. El hierro en cambio no estaba disponible en la naturaleza a excepción de aquel milagrosamente caído del cielo en los meteoritos, y el hombre tuvo que extraerlo de los minerales, estos sí, abundantes y estables. Hornos especiales que garantizaban altas temperaturas permitieron la reducción de los óxidos de hierro. Sin embargo, la naturaleza ha demostrado desde hace tres mil años que la energía invertida en los procesos de obtención del hierro o el acero, se degrada rápidamente con la consecuencia de que los objetos fabricados retornan inexorablemente a sus minerales originales. El hierro es el elemento de la primera Revolución Industrial y sigue siendo el que mayor trascendencia tiene en el sector productivo de la sociedad. La corrosión es pues un fenómeno ligado históricamente a los materiales ferrosos, y es protegiéndolos o reemplazándolos, que el hombre ha logrado reducir su impacto económico. Desde un punto de vista técnico los problemas de la corrosión se pueden enfrentar utilizando materiales de gran resistencia. El oro y el cobre lo son pero su costo y su baja tenacidad los hacen inadecuados para muchas aplicaciones industriales. La combinación del cobre con el estaño o con el zinc, aleaciones llamadas bronce y latón respectivamente, tienen mejor desempeño mecánico y mantienen una buena resistencia frente a la oxidación por lo que su diversificación ha sido mucho más importante. Pero es el aluminio el material más utilizado después del acero. Es liviano y de elevada resistencia a la corrosión y ha incursionado en el sector de los transportes y de la construcción, entre otros. El titanio por su parte es uno de los materiales más completos: es dos veces menos denso que el hierro y su resistencia mecánica y química son excelentes. Debido a su alto costo sus aplicaciones se limitan a sectores muy especializados como la industria aeroespacial, el sector biomédico donde se destaca en la fabricación de prótesis, y en aplicaciones submarinas gracias a su altísima resistencia frente a la corrosión del agua de mar. 27 ¿Cómo puede afirmarse entonces que son más resistentes a la corrosión? La respuesta es que la tendencia de estos elementos a formar óxidos es tan grande que ellos se desarrollan instantáneamente en la superficie formando capas muy delgadas que sellan literalmente el material. A diferencia de los óxidos de hierro, los de aluminio y titanio están firmemente cohesionados a la pieza, no son porosos y prácticamente no se fracturan: este comportamiento garantiza uno de los sistemas espontáneos de protección más eficientes contra la corrosión. Es este mismo mecanismo el que ha permitido obtener aceros especiales de gran resistencia química. En efecto, mediante adiciones de cromo superiores a un 12 por ciento en peso, se fabrican los llamados aceros inoxidables: el cromo migra a la superficie para combinarse con el oxígeno formando una fina capa protectora ultra delgada que no se detecta a simple vista. Las aplicaciones de estos aceros son muy variadas y sin duda son los materiales metálicos con los que el hombre ha logrado, hasta el momento, el mejor balance entre costo, propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión. La protección superficial de los materiales también se puede alcanzar artificialmente mediante la aplicación de recubrimientos. La deposición de capas metálicas o el uso de pinturas anticorrosivas, son métodos que prolongan la integridad de los aceros corrientes e incluso la de materiales más resistentes. Es importante destacar el enorme desarrollo en el campo de los recubrimientos orgánicos y la amplia gama de productos disponibles con propiedades y capacidades de protección muy específicas. Los recubrimientos actúan como una barrera frente a la difusión de los agentes oxidantes, aislando el metal y evitando su acumulación sobre la superficie. Sin embargo, las pinturas se degradan, también sufren procesos de oxidación y es usual que requieran, quizás con más frecuencia que otros métodos, planes de inspección y mantenimiento. Cualquier esquema de protección contra la corrosión debe interferir, o modificar, el funcionamiento de la celda electroquímica descrita en la primera parte de este documento. Los métodos mencionados anteriormente lo hacen básicamente evitando la formación de un electrolito sobre el material. En sistemas cerrados donde el ambiente corrosivo no se renueva, o lo hace muy lentamente, se han empleado inhibidores químicos, productos que se disuelven en el medio, lo modifican y reducen las velocidades de corrosión. Otros métodos interfieren directamente con la distribución de cargas en el material.8 La protección catódica por ejemplo, se refiere al empleo de una corriente proveniente de una fuente externa que se opone a la corriente de corrosión en las áreas anódicas de la estructura metálica sumergida en un medio conductor. 8 Ibíd. 28 En este caso toda la estructura se comporta como una zona catódica y los electrones no provienen del metal lo que causaría la corrosión sino de la fuente externa. Sólo los sistemas enterrados o inmersos pueden ser protegidos de esta manera gracias a la existencia de un medio más o menos conductor, requisito para lograr la distribución homogénea de los potenciales. Figura 4. Probetas de inspección anticorrosiva. Fuente. CORTEZ, María Teresa y ORTIZ, Pablo. Corrosión [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: https://www.google.com.co/search?q=%3C+Apuntes científicos uniandinosnúmero cuatro>. 29 3. RECUBRIMIENTO POR GALVANIZADO 3.1 DISEÑO PARA GALVANIZAR UNA ESTRUCTURA El ingeniero calculista a la hora de diseñar elementos de estructura metálica que se vayan a fabricar y después galvanizarse en caliente, deben tenerse en cuenta algunas pocas normas básicas para el desarrollo de planos de fabricación y de conjunto soldados en beneficio del proceso de galvanizado. Las reglas son de dos clases unas tienen por finalidad obtener recubrimientos galvanizados de la mejor calidad posible, lo que se conseguirá si el zinc fundido puede llegar a todas las superficies de las piezas, tanto externas como internas, y si éstas no presentan zonas en donde puedan producirse acumulaciones de ácido o de cenizas. Otras reglas tienen por objeto garantizar la seguridad de los operarios del taller de galvanización. Los perfiles huecos y las cavidades cerradas son especialmente peligrosos, porque pueden dar lugar a explosiones en el horno de galvanización, con proyección violenta de zinc fundido y el consiguiente riesgo de grave daño por quemaduras para los operarios. El ingeniero calculista debe dar a sus dibujantes el diseño de conexiones necesarias para los perfiles metálicos dependiendo el largo máximo y el ancho de la cuba de galvanizado, lo más óptimo en el diseño de las estructuras metálicas es que las conexiones después de galvanizar sean pernadas con tornillos galvanizados, esto para poder garantizar que la estructura no tenga problemas de óxido tempranas, también se podrían soldar pero en la parte que se va a soldar se debe tapar o sellar para que no tenga recubrimiento de cinc y así se pueda garantizar una soldadura de penetración completa, pero después de soldarse se debe aplicar un galvanizado en frío que solo cumple en un 25 % las características del galvanizado en caliente. 3.1.1 Reglas básicas. 9 Las reglas básicas concernientes al diseño y a la fabricación son las siguientes: Pueden galvanizarse todas las clases de acero, algunos aceros poco aleados, las fundiciones de hierro y la fundición de acero se deben tener en cuenta los calibres del acero si son muy delgados pueden que se dañen al momento de galvanizarse, para este tipo de casos se pueden hacer unos pliegues en las piezas o soldar varillas o algunos para evitar que se dañen por temperatura. 9 INFOCORROSION. Boletín técnico oficial gratuito confiabilidad en estructuras [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.infocorrosion.com/index.php/es/publicaciones/item/280-la-inspeccion-de-corrosion-y-laconfiabilidad-de-las-esrtructurasticias>. 30 Se debe consultar las medidas de la cuba de galvanizado antes de hacer planos de taller para evitar que el material sea devuelto por sobre dimensionamiento o por peso, también puede ser devuelta por falta de desfogues de la estructura. Observe siempre las recomendaciones sobre la disposición de los agujeros de respiración en los perfiles y en los cuerpos huecos en el diseño de la estructura se deben tener en cuenta que esta va a ser sometida a grandes destijeres para conexión entre la estructura. El ingeniero calculista debe prever una tolerancia adicional de 4 veces el espesor del recubrimiento galvanizado en la tornillería y en las partes roscadas. Prevea una tolerancia adicional de 1 mm en las partes de las piezas que vayan a estar acopladas a otras y deban mantener su movilidad como tornillos o pasadores. No galvanice piezas soldadas con soldadura blanda, porque fallarán las uniones siempre diseñe con SAW 70XX o mayor. No utilice durante la soldadura eléctrica por arco productos anti salpicaduras que contengan silicona, porque el recubrimiento galvanizado no se formará correctamente sobre las zonas en donde se hayan aplicado. Elimine mediante chorreado con granalla la arena de moldeo adherida a las piezas de fundición, porque el recubrimiento galvanizado no se forma sobre ella. Evite en lo posible las superficies solapadas. Si no fuera posible, tenga en cuenta las recomendaciones de diseño para facilitar la ventilación en estas zonas. Recuerde que el galvanizador debe colgar sus piezas para introducirlas en el baño de galvanización. Asegúrese de que se dispongan los necesarios puntos de enganche. No pretenda galvanizar construcciones que sean muy robustas en un plano y muy débiles en otros, ya que pueden sufrir distorsiones. Consulte previamente con el galvanizador. Evite las superficies grandes de chapa fina que no estén adecuadamente rigidizados, porque es fácil que sufran deformaciones. El material de menos de 1/16” puede sufrir deformaciones en el proceso de galvanizado debido a que la temperatura de galvanización (450°C) 31 En los artículos o construcciones metálicas que lleven partes o perfiles huecos, es necesario realizar orificios de ventilación en las posiciones adecuadas, para permitir la entrada y salida del zinc en dichas partes huecas y la correspondiente salida y entrada de aire en las mismas, si no se practican estos orificios pueden ocurrir dos cosas. Primero, que la pieza explote en el baño de galvanización, debido a la presión generada por la rápida evaporación de los líquidos o de la humedad que pueda quedar retenida en su interior. Segundo, que la pieza no quede protegida por su interior, al no poder penetrar el zinc dentro de la misma. Por ello, si llegan al taller de galvanización piezas huecas sin estos orificios lo más seguro es que la empresa galvanizadora les devuelva el material. Normalmente no es conveniente taponar estos agujeros después de la galvanización, porque la aireación que proporcionan al interior de estas partes huecas favorece la formación de una buena capa de pasivación en el recubrimiento interior de zinc. Si por cualquier causa fuera necesario cerrar estos agujeros, puede hacerse con tapones de plástico, aluminio o plomo. 3.1.2 Condiciones relativas a la composición del acero. La composición química del acero tiene una influencia muy marcada sobre la reactividad del hierro con el zinc fundido. En particular, determinadas concentraciones de silicio favorecen esta reactividad y dan lugar a recubrimientos más gruesos, por la generación de mayor proporción de aleaciones zinc-hierro. En casos extremos, la totalidad del recubrimiento puede llegar a estar constituido por estas aleaciones. Debido al mayor espesor de estos recubrimientos aleados proporcionan una protección frente a la corrosión más prolongada. 3.1.2.1 Influencia del silicio. Es un hecho bien conocido el papel decisivo que tiene el silicio presente en el acero sobre las reacciones hierro-zinc durante la galvanización en caliente. Cuando el acero tiene un contenido de silicio comprendido entre, aproximadamente, 0,04% y 0,12% y también por encima de 0,25%, se produce un crecimiento acelerado de las aleaciones zinc-hierro (efecto Sandelin). En estos casos se forman recubrimientos galvanizados apreciablemente más gruesos, que normalmente presentan un aspecto gris oscuro mate. Este aspecto puede afectar a toda la superficie de manera uniforme o tomar una configuración reticular. 3.1.2.2 Influencia del fósforo. Investigaciones recientes han demostrado que cuando el contenido de silicio está por debajo de la denominada región de Sandelin (<0,03% Si), el contenido de fósforo del acero juega también un papel importante sobre su reactividad frente al zinc. Esto significa que para evitar los recubrimientos galvanizados oscuros y mates deben seleccionarse aceros cuyo 32 porcentaje de silicio, sumado al de fósforo multiplicado por el factor 2.5, no supere el valor 0,09%. La influencia del fósforo es solamente relevante en los aceros de bajo contenido en silicio. En aceros altos en silicio (>0,12%), los contenidos de fósforo normalmente presentes en los mismos tienen una "influencia" despreciable sobre el comportamiento de estos aceros en la galvanización. 3.1.3 Como evitar las retenciones del ácido. El zinc fundido no puede reaccionar sobre las superficies de acero sucias u oxidadas, por lo que los materiales a galvanizar se limpian previamente sumergiéndolos en un baño de ácido clorhídrico. El ácido penetra por todas las cavidades y rendijas, aunque sean muy estrechas, y puede quedar retenido en ellas incluso durante la inmersión de las piezas en el zinc fundido. Una vez galvanizadas las piezas, este ácido puede rezumar y atacar el recubrimiento galvanizado de las mismas, produciendo marcas o manchas indeseables en el mismo. Por ello, deben evitarse las pequeñas cavidades y rendijas, como las que se producen muchas veces cuando se sueldan las piezas. 3.2 PREPARACIÓN DE MATERIAL A GALVANIZAR Se deben establecer las pautas10 y condiciones necesarias para la fabricación de piezas en taller para preparar el material, con el fin de asegurar un material adecuado para ingresar a la planta de galvanizado, de acuerdo a las normas NTC 2076, NTC 3320 y Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas-RETIE, en el Capítulo IV - Requisitos Específicos para el Proceso de Transmisión, Artículo 28 Apoyos o Estructuras. Las condiciones con las cuales la estructura debe estar fabricada para galvanizar las debe dar la planta galvanizadora ya que el óptimo desarrollo y entrega a tiempo de la estructura depende de no atentar con el procedimiento interno de la planta. Este procedimiento se aplica a todos los materiales que van a ingresar a la línea de Galvanizado en la empresa que preste el servicio y es responsabilidad del ingeniero de diseño que los parámetros y recomendaciones que da la planta de galvanizado se cumplan y con eso garantizar el cumplimiento del procedimiento con sus respectivos grupos de trabajo; así como del Jefe de planta realizar el seguimiento necesario en caso de no cumplirlo se debe devolver el material a su planta de origen para que ajusten el diseño. 10 POLYUPROTEC. Proceso en artículos a ser galvanizados [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.polyuprotec.com/index.php?option=com_content&view=article&id=17>. 33 Para que la galvanización del producto, se logre de manera exitosa, es muy importante que se gestione, un buen alistamiento del material y para lograr un buen alistamiento del material es necesario que éste, posea un drenaje adecuado que logre asegurar el libre flujo de las soluciones aplicadas por todo el producto que va a ser galvanizado. Para asegurar el libre flujo de las soluciones, los refuerzos, esquineros y fijaciones deberán ser cortados con un mínimo de 19.05mm. También es necesario, proporcionar aberturas de mínimo 1/2” (13mm) de diámetro en planchas exteriores de forma de acero laminado, para permitir el acceso del Zinc fundido en el tratamiento del galvanizado y el drenaje durante el retiro. Figura 5. Destijeres en secciones tubulares cuadradas. Fuente. POLYUPROTEC. Proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http//www.polyuprotec.com/index.php/galvanizado/proceso>. Figura 6. Destijeres en cerchas tubulares. Fuente. POLYUPROTEC. Proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http//www.polyuprotec.com/index.php/galvanizado/proceso>. 34 Figura 7. Destijeres en vigas. Fuente. POLYUPROTEC. Proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http//www.polyuprotec.com/index.php/galvanizado/proceso>. 3.2.1 Alistamiento del material en negro a galvanizar. 11 El material en negro ubicado en plataforma, deberá ser ingresado a la planta de galvanizado, de acuerdo con el programa de producción impartido por el Jefe de Planta. El ingreso del material se debe hacer por lotes, cada uno de estos lotes corresponde a piezas similares en forma y peso de acuerdo con las necesidades de la obra, en ese caso primero deben galvanizar los pernos de anclaje y las plantillas de cimentación, deben seguir galvanizando las columnas y las vigas de amarre, seguido de las viguetas, lucarna, canales, perlines de correa y de fachada, tensores, contravientos, templetes. Es necesario que el ingeniero encargado de la obra envíe las piezas que necesita que primero le despachen para la obra y así evitar retrasos en la misma para esto es necesario hacer un cronograma de despacho el cual debe cumplir en ingeniero logístico y el de producción para evitar fabricar piezas que no tengan ninguna prioridad y sean usadas al final de la obra. Las piezas deben ser sujetan con alambre negro de un calibre adecuado al peso de la misma, en casos en que se trate de materiales pesados (más de 300 Kg) o difícil de sujetar con alambre por su forma, es factible utilizar ganchos, varillas, cadenas o dispositivos especiales siempre y cuando el elemento de amarre no afecte la calidad del galvanizado. Cuando se presenten piezas que por su forma, no sea posible ingresar al proceso en gancheras, el mecanismo para su procesamiento quedará a discreción del Jefe de Planta. 11 POLYUPROTEC. Alistamiento de material en proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.polyuprotec.com/images/alistamientomaterial.pdf>. 35 El transporte del material durante todas las etapas que se describen a continuación, se realiza con el puente grúa, el cual tiene una capacidad que depende de la planta de galvanizado que puede estar entre 3 toneladas a 6 toneladas por polipasto se pueden encontrar en Bogotá y en plantas más sofisticadas como en Madrid Cundinamarca o cerca a los puertos por ejemplo en Barranquilla se pueden encontrar plantas de galvanizado con puente grúa hasta de 10 toneladas. Es importante tener en cuenta el colgado de las piezas o amarre, el material es recibido por la empresa galvanizadora y de acuerdo al tipo de éste, se determina la inclinación específica para su colgado, de manera que se pueda comenzar el proceso de producción se debe tener en cuenta que el material debe estar libre de impurezas como: Pintura Calamina Etiquetas Escoria de soldadura Metal-market Cualquier otro tipo de contaminación que impida la formación de la capa de galvanizado, el material debe estar diseñado de tal manera que permita realizar el proceso adecuadamente. En las figuras 8, 9 y 10 se dará a entender cuándo se identifica un material que está mal preparado para galvanizar, las estructuras que tienen una mala preparación de material tienen consecuencias como: Acumulación de Zinc Proceso más riesgoso (Explosiones) Mayor consumo de Zinc Atrasos en las entregas Mayor tiempo en el proceso de galvanización Baja productividad Mayores costos Baja calidad del material galvanizado en terminación. 36 Figura 8. Acumulación de zinc. Fuente. POLYUPROTEC. Alistamiento de material en proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.polyuprotec.com/images/alistamientomaterial.pdf>. Figura 9. Estructuras sin perforación de desfogue. Fuente. POLYUPROTEC. Alistamiento de material en proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.polyuprotec.com/images/alistamientomaterial.pdf>. 37 Figura 10. Estructuras que permite la acumulación de zinc interno. Fuente. POLYUPROTEC. Alistamiento de material en proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.polyuprotec.com/images/alistamientomaterial.pdf>. En las figuras 11, 12 y 13 se dará a entender cuando se identifica un material que está bien preparado para galvanizar facilitando la fabricación y preparación óptima de alistamiento de sus estructuras de acero para obtener una máxima calidad en el galvanizado en base a estos se obtienen los siguientes beneficios12: 12 Disminuir costos Baja los tiempos de proceso de galvanización Permite un proceso más seguro Mayor productividad Mejora en los plazos de entrega de la estructura a obra Mejor calidad. Ibíd. 38 Figura 11. Columnas con buen alistamiento. Fuente. POLYUPROTEC. Alistamiento de material en proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.polyuprotec.com/images/alistamientomaterial.pdf>. Figura 12. Conexión de todas las piezas. Fuente. POLYUPROTEC. Alistamiento de material en proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.polyuprotec.com/images/alistamientomaterial.pdf>. 39 Figura 13. Desfogues en cerchas. Fuente. POLYUPROTEC. Alistamiento de material en proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.polyuprotec.com/images/alistamientomaterial.pdf>. 3.2.1.1 Desengrase. Luego del alistamiento en negro, el material está preparado para iniciar las inmersiones en los diferentes tanques, el primer tanque es un desengrasante químico que opera a pH ácido y que transforma aceites y grasa, floculándolas para que se precipiten al fondo del tanque, actuando como un predecapado, reduciendo el tiempo del mismo y disminuyendo la agresión del ácido clorhídrico sobre el acero. En esta etapa, el operario deberá controlar visualmente el material, verificando la desaparición y excesos de grasa (puntos negros). 40 Figura 14. Tanque desengrasante. POLYUPROTEC. Proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http//www.polyuprotec.com/index.php/galvanizado/proceso>. 3.2.1.2 Decapado. 13 En este proceso se utiliza una solución diluida en ácido hidroclórico al 17%, la utilidad de este proceso, permite la eliminación del óxido, presentes en el producto a galvanizar. El óxido es el contaminante más común de los productos férreos, este proceso permite que el galvanizado se realice, sobre una superficie químicamente limpia. El material dispuesto correctamente, es ingresado al proceso, sumergiéndolo en uno de los tanques de ácido con que cuenta la planta de galvanizado. Estos tanques contienen ácido clorhídrico, el cual se prepara a una concentración entre 16% y 17% en volumen de ácido, un inhibidor de corrosión, el cual reduce el consumo de ácido y permite una adecuada protección del metal en diferentes tipos de acero y un antivapor que reduce las emisiones de vapores al ambiente. Cada tanque se diferencia, porque cada uno posee un ácido con diferente concentración de la siguiente manera: 13 POLYUPROTEC. Proceso en artículos a ser galvanizados [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.polyuprotec.com/index.php?option=com_content&view=article&id=17>. 41 Ácido nuevo: el que posee mayor capacidad de decapado, el material es limpiado rápidamente; debe usarse para decapar los materiales más limpios en plataforma, es decir, con presencia de óxidos únicamente. Ácido gastado: su capacidad decapante es media, su tiempo de decapado es mayor que el Ácido Nuevo y se usa para decapar materiales con mayor grado de oxidación, es factible que se deba frotar el material para retirar totalmente la suciedad. Ácido para reproceso: su capacidad decapante es muy pobre sobre productos en negro, pero adecuada para elementos ya galvanizados o reprocesos, el tiempo depende de factores como el espesor de capa de Cinc en el elemento, siendo un valor muy variable. Aunque se habla de tiempos promedio de decapado, dependiendo de la edad del ácido, estos son tiempos ideales dependiendo el estado de oxidación del material, los cuales no garantizan un correcto decapado, por tal razón se requiere que el operario de ácidos tenga el criterio para determinar si una pieza esta lista para pasar a la siguiente etapa; cabe anotar que si una pieza o un sector de esta es pobremente decapada, esta pieza o sector no quedaran galvanizados. Un buen decapado consiste en que la totalidad de la pieza tenga un color gris metálico y no tenga manchas ni señales de óxido, grasa, pintura o calamina; Sí el material presenta esta condición puede ser llevado a la siguiente etapa, en caso contrario, deberá sumergirse de nuevo el material afectado en el baño de ácido, si la suciedad persiste se debe frotar la pieza o someter a limpieza con pulidora. Durante la operación de decapado el ácido con el acero, producen hidrógeno, contaminando el ambiente de trabajo con vapores ácidos. Con el fin de reducir estos vapores, se adiciona un antivapor, el cual reduce los vapores en el ambiente de trabajo en un 70%, mejora las condiciones de trabajo, reduce costos de mantenimiento de la planta, aumentando la vida útil de las estructuras como los son puentes grúas, gancheras y también incluyendo la infraestructura de la empresa. 42 Figura 15. Remoción de impurezas manualmente. Fuente. POLYUPROTEC. Proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http//www.polyuprotec.com/index.php/galvanizado/proceso>. Figura 16. Tanque de ácido para decapado. Fuente. POLYUPROTEC. Proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http//www.polyuprotec.com/index.php/galvanizado/proceso>. 43 3.2.1.3 Enjuague. Para lograr una superficie más limpia, se enjuagan los productos a galvanizar, evitando traer los ácidos aplicados en las anteriores etapas, en los demás pasos del proceso. El material correctamente decapado, es llevado a los tanques con agua ubicados a continuación de los ácidos, el material debe ser sumergido por completo en el agua, este proceso se realiza con el fin de eliminar los residuos de ácido embebidos en la pieza, los cuales son indeseables en las etapas siguientes del proceso. Figura 17. Tanque de enjuague. Fuente. POLYUPROTEC. Proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http//www.polyuprotec.com/index.php/galvanizado/proceso>. 3.2.1.4 Flux o salado. En este proceso se aplica un baño de sales (cloruro de amonio y cloruro de zinc); este proceso, previene que otros óxidos se formen en la superficie del metal antes de ser galvanizado y facilita la unión del zinc a la superficie del hierro o acero. El material decapado y enjuagado, debe ser llevado al tanque de sales, con el objeto de prepararlo y protegerlo de la formación de óxidos durante su secado, estas sales están compuestas de una solución de cloruros de Cinc y amonio en agua. La duración de esta inmersión, debe corresponder al tiempo durante el cual se sumerge lentamente y en su totalidad el material, este tiempo oscila entre 15 44 segundos y un minuto, nunca se debe dejar el material sumergido en este tanque, pues se provocarán daños en el material que generarán problemas de apariencia en el galvanizado se debe velar por el correcto salado de los materiales, este control se realiza monitoreando el material, para detectar la aparición de manchas amarillas, posterior al proceso de salado, otra característica a controlar es el color que adquiere el material luego de salado, el cual debe ser gris verdoso y nunca gris amarillento, de ser así, el material debe ser enjuagado y salado nuevamente. Con el fin de conocer el estado químico de los diferentes baños, se debe hacer seguimiento a cada uno de ellos, estas actividades son descritas según lo tenga contemplado la galvanizadora como los son: Control químico de los baños de decapado Enjuague y salado Es responsabilidad de la planta galvanizadora en cumplir esta instrucción de trabajo y garantizar un estado óptimo a los diferentes baños o enjuagues, basado en la información obtenida en las mediciones. Figura 18. Tanque de flux o salado. Fuente. POLYUPROTEC. Proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http//www.polyuprotec.com/index.php/galvanizado/proceso>. 3.2.1.5 Secado. Por medio de la utilización de aire caliente, la estructura, es secada y preparada para su galvanización, el material correctamente salado es 45 llevado a la cuba de secado, esta debe tener una capacidad para dos gancheras simultáneamente para evitar errores humanos en el manejo de estructura pesada hay plantas de galvanizado en Colombia que tienen capacidad para cuatro gancheras simultáneamente, esto garantiza que el material sea secado por una corriente de aire que es inyectada a la cuba por medio de un ventilador, si la estructura es muy grande se deben utilizar ventiladores por fuera de la cuba para realizar esta actividad. El material preparado correctamente en las etapas anteriores, puede ser dejado en la cuba de secado hasta por 45 minutos sin presentar problemas para su galvanizado, es posible realizar el secado del material suspendiéndolo sobre el horno de galvanizado cuando por alguna circunstancia de proceso así se requiera. También se pueden fabricar estructuras como bodegas o cerramiento que cubran la estructura suspendida para evitar que se pierda la potencia de los ventiladores y esta sea más útil en la estructura. Figura 19. Cerramiento horno de secado. Fuente. POLYUPROTEC. Proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http//www.polyuprotec.com/index.php/galvanizado/proceso>. 46 3.2.1.6 Galvanizado por inmersión en caliente.14 El material está completamente sumergido en un baño de cinc fundido al 99.9% de pureza. 450 grados Celsius. Las piezas fabricadas se sumergen en el cinc el tiempo suficiente para alcanzar la temperatura del baño. Enfriamiento: el producto se sumerge en agua para que se enfríe y así, poder pasar a la siguiente etapa de inspección del resultado. Inspección: como paso final en el proceso, el revestimiento galvanizado en caliente es inspeccionado para su conformidad con las especificaciones pertinentes. Los métodos de inspección de artículos galvanizados es el visual, espesor, uniformidad en el recubrimiento, adherencia del recubrimiento, y apariencia. Figura 20. Galvanizado en caliente. Fuente. POLYUPROTEC. Proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http//www.polyuprotec.com/index.php/galvanizado/proceso>. 14 Ibíd. 47 Figura 21. Galvanizado en caliente a doble inmersión. Fuente. POLYUPROTEC. Proceso de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http//www.polyuprotec.com/index.php/galvanizado/proceso>. 3.3 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS ACEROS GALVANIZADOS EN CALIENTE Es importante aclarar que el proceso de galvanizado en caliente no afecta las propiedades mecánicas del acero de construcción. 3.3.1 Resistencia y durabilidad. El proceso de galvanización no afecta las propiedades de tensión, doblez o impacto de cualquiera de los aceros en construcción investigados al ser galvanizados en caliente en la condición manufacturada, según el reporte publicado de la BNF ‘Galvanización de los aceros de construcción y sus estructuras soldadas’, la ILZRO, en 1975 lo concluyó. Incluso, ni haciendo versiones más resientes, muestran la fragilidad del hidrogeno seguido de un previo tratamiento típico. Los cambios en la propiedades atribuibles al proceso de galvanización en caliente fueron detectadas solo cuando el acero fue trabajado en frío antes de la galvanización, pero después solo algunas propiedades fueron afectadas. De esta manera la resistencia a la tracción, de la resistencia de prueba y el alargamiento a la tracción de acero laminado en frío no se vieron afectados; excepto que el 48 alargamiento a la tracción de un 40% de acero laminado en frío suele incrementarse por la galvanización en caliente. 3.3.2 Fragilidad. Es poco frecuente que el acero esté en condiciones de fragilidad, después de galvanización en caliente. La situación de fragilidad depende de una combinación de factores. Bajo ciertas condiciones, algunos aceros pueden perder sus propiedades de ductilidad y convertirse en frágiles. Se pueden presentar varios tipos de fragilidad, pero de ellos, solo la fragilidad por envejecimiento empeora con la galvanización en caliente y procesos similares. La siguiente información facilita las aplicaciones prácticas. 3.3.2.1 Aplicaciones críticas. Es mejor evadir el trabajo en frío, tales como troquelado, punzonado, cizallamiento y doblado del acero de construcción sobre 6mm de espesor cuando la pieza sea galvanizada y posteriormente sujeto a tensión critica de tracción. Si el trabajo en frío no se puede evadir, se debería realizar una prueba práctica de fragilidad según la norma ASTM A-143. El relieve se acentúa a una temperatura mínima de 650°C, antes de la galvanización en caliente, donde las consecuencias de falla son severas y el trabajo en frío no se pude evitar. Lo ideal, en las aplicaciones críticas del acero de construcción seria trabajarlo en caliente a 650°C, según las recomendaciones del fabricante de acero. 3.3.2.2 Susceptibilidad a la fragilidad por envejecimiento. La fragilidad por envejecimiento es causada por el trabajo en frío de ciertos aceros, principalmente de bajo contenido de carbono. Seguidos por las temperaturas de envejecimiento menores a 600°C, o por trabajos en caliente por debajo de los 600°C. Hasta un cierto punto, donde todos los aceros de construcción pueden convertirse en frágiles. La magnitud de la fragilidad depende de la cantidad de tensión, tiempo en la temperatura de envejecimiento y la composición del acero, en particular, el contenido de nitrógeno. Los elementos conocidos para vincular al nitrógeno en la forma de nitruros, son útiles para limitar los efectos del envejecimiento por endurecimiento. Estos elementos incluyen: aluminio, vanadio, titanio, niobio y boro. 3.3.2.3 Trabajo en frío. El trabajo en frío tal como el troquelado de orificios, cizallamiento y doblado, antes de la galvanización, puede conllevar a la fragilidad de los aceros susceptibles. Los aceros con un menor espesor de 3 mm son poco probables de versen afectados de manera significativa. 3.3.2.4 Fragilidad por hidrógeno. El hidrogeno puede ser absorbido por el acero durante el decapado con ácido pero expedido rápidamente a las temperaturas de la galvanización y no representa un problema con los componentes libre de 49 tensiones internas. Ciertos aceros que han sido trabajados en frío y/o tensionados durante el decapado ser afectados por la fragilidad por hidrogeno hasta el punto en que se pueden agrietar antes de la galvanización. 3.3.2.5 Proceso de galvanización. Este proceso involucra la inmersión de un baño de zinc fundido a 450°C aproximadamente, el efecto del tratamiento al calor de la galvanización puede acelerar el comienzo de la fragilidad por envejecimiento en aceros susceptibles, que hayan sido trabajados en frío, ningún otro aspecto en el proceso de galvanización es significativo.15 3.3.3 Resistencia a la fatiga. Las investigaciones y la experiencia práctica muestran que la resistencia a la fatiga de los aceros comúnmente galvanizados, no se ve afectada por la galvanización de manera significativa. La resistencia a la fatiga de ciertos aceros, particularmente los aceros calmados por silicio, pueden ser reducidos, pero ninguna reducción es pequeña cuando se compara con las reducciones que pueden ocurrir en el ataque de la corrosión por picaduras en los aceros no galvanizados y con los efectos de las soldaduras. Para propósitos prácticos, donde la durabilidad se basa en la resistencia a la fatiga de las soldaduras, se pueden ignorar los efectos de la galvanización. La resistencia a la fatiga se reduce por la presencia de cortes y cordones de soldadura, a pesar de los efectos de los procesos involucrados un ciclo calorífico tal como la galvanización. El enfriamiento rápido del trabajo en caliente puede inducir al micro craqueo, especialmente, en las zonas de soldadura, produciendo un efecto de corte con reducciones constantes en la resistencia a la fatiga. En aplicaciones críticas, las especificaciones para galvanización de las fabricaciones soldadas de acero deberían pasar por la refrigeración por aire, después de la galvanización; en vez de refrigeración por agua, para evitar la posibilidad de micro craqueo y reducciones en la resistencia de la fatiga. 3.4 RENDIMIENTO CONTRA LA CORROSIÓN La galvanización proporciona un excelente rendimiento contra la corrosión, la durabilidad de la estructura es directamente proporcional al espesor del recubrimiento de zinc y se relacionan con el entorno en el que la estructura se inserta una vez estas variables son determinadas, es posible estimar la vida útil de una estructura. 3.4.1 Resistencia contra la corrosión atmosférica. La resistencia de la galvanización contra la corrosión atmosférica depende de una película protectora 15 ASOCIACIÓN LATINOAMERICANA DE ZINC-LATIZA. Protección del acero mediante galvanizado en caliente [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.latiza.com/archivos_publicar/Guia-de-galvanizacal.pdf>. 50 que se forma en su superficie. Cuando se retira el acero del baño de galvanización, el zinc presenta una superficie brillante y pulida. Con el tiempo esta se vuelve gris, porque la superficie reacciona al oxígeno, el agua y el dióxido de carbono de la atmósfera, lo cual permite la formación de una película protectora compleja, pero al mismo tiempo fuerte y estable, que se pega con firmeza al zinc.16 Tabla 1. Clasificación de los ambientes. Fuente. INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION-ISO. ISO 9223:2012. Corrosion of metals and alloys-Corrosivity of atmospheresClassification, determination and estimation [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.iso.org/iso/catalogue_detail.htm?csnumber=53499>. Los contaminantes de la atmósfera afectan la naturaleza del zinc, siendo el dióxido de azufre (SO2) el principal contaminante que afecta al zinc y que controla además en gran medida la velocidad de la corrosión atmosférica de este elemento. La velocidad de corrosión del zinc se produce generalmente de forma lineal en un entorno determinado, lo cual permite estimar la vida útil del revestimiento mediante las evaluaciones de su espesor. También se puede estimar la vida útil del recubrimiento a través del cálculo de las velocidades de corrosión de una determinada categoría de corrosividad, de 16 Ibíd. 51 acuerdo con el comportamiento de los recubrimientos galvanizados teniendo en cuenta la clasificación de los ambientes. La tabla 1 de acuerdo a la norma ISO 9223, de clasificación de los ambientes, describe el tipo de ambiente, del más suave al más agresivo de acuerdo a los factores de corrosión que interfieran en cada uno, indicando el rango de años que puede llegar a durar el galvanizado en caliente teniendo en cuenta el lugar donde se ubique el producto metálico. De igual manera el mapa de corrosión indicado a mano derecha resalta el tipo de ambiente manejado en cada una de las zonas de Colombia. Tabla 2. La vida útil de las estructuras de acero galvanizado. Fuente. AMERICAN GALVANIZERS ASSOCIATION-AGA [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://latiza.com/archivos_publicar/Revista_latiza.pdf>. 52 Figura 22. Mapa de corrosión. Fuente: ISO 9223 y Mapa de Corrosión realizado por la CREG y la Universidad de Antioquia [en línea]. Bogotá, [citado 14 Noviembre, 2014]. Disponible en Internet: <URL http://www.idu.com/guia.php/galvanizado/proceso>. 3.4.2 Rendimiento en otros ambientes. Ambientes internos. Un error común es creer que la corrosión no puede afectar las estructuras de acero que se encuentran en los ambientes internos, descartando además el tiempo. Si se registra condensación frecuente en la superficie de la estructura y además el acero no está debidamente protegido, la corrosión será significativa. En estas condiciones, la galvanización por inmersión en caliente puede ofrecer más de 40 años de vida útil. La galvanización por inmersión en caliente ha sido también ampliamente utilizada para proteger las estructuras de acero en ambientes interiores, además de agresivos, como piscinas y cervecerías. Inmerso en agua fría. En su gran mayoría, las aguas tienen sales formadoras de incrustaciones, que puede formar un revestimiento de protección en las 53 superficies internas de los sistemas galvanizados de abastecimiento de agua. En consecuencia, los revestimientos pueden presentar vida útil normalmente incrementada en más de 40 años. Si estas sales no están presentes, la vida til del recubrimiento puede ser prolongada con la aplicación de dos capas de solución bituminosa. Inmerso en agua caliente. Las propiedades del agua formadora de incrustaciones son también importantes en agua caliente, ofreciendo una esperanza de vida útil de más de diez años. Por encima de los 60° C, el zinc puede ser catódico en relación al acero por inmersión en agua, no ofreciendo más protección de sacrificio, caso se dañe el revestimiento. En las estructuras, por ejemplo, de tuberías, en las que este fenómeno puede ocurrir, la protección de sacrificio puede ser garantizada a través del uso de un ánodo de magnesio como "back-up” (de apoyo) para el revestimiento del zinc. Inmerso en agua de mar. El agua de mar es más agresivo que el agua dulce debido a la presencia de sales disueltas (como sulfuros y cloruros, por ejemplo), que acelera el proceso corrosivo. Debido al elevado contenido de cloruros presentes en el agua de mar, debería esperarse una muy alta tasa de corrosión. Sin embargo, la presencia de iones de calcio y magnesio tiene un fuerte efecto inhibitorio de la corrosión del zinc en este entorno. La inmersión por la marea, la marea regular o la inmersión en agua de mar tropical caliente puede dar lugar a una mayor tasa de corrosión. Subterráneo. La vida útil de un revestimiento galvanizado enterrado puede variar, dependiendo, por ejemplo, del tipo de suelo, su acidez y si ha sido alterado. La variación de pH de 5,5 a 12,5, es decir, ligeramente ácido a alcalino, es favorable. Los suelos que contienen las cenizas y los desechos de carbón son especialmente dañinos. En muchos casos, la aplicación de una solución bituminosa en la capa de zinc es beneficiosa, especialmente cuando el acero galvanizado se encuentra enterrado en el suelo o en el punto donde aparece en el concreto. El acero galvanizado puede ser incrustado en el hormigón de manera segura. Para mayor protección en el suelo, se pueden utilizar revestimientos galvanizados más gruesos.17 En contacto con maderas. Las maderas altamente ácidas como el roble, el nogal, el cedro rojo y el pino se pueden utilizar con acero galvanizado, puesto que están aisladas del contacto directo. Algunos tipos de madera, cuando está húmeda, liberan una sustancia que se suele confundir con la corrosión. A pesar de que el aspecto técnico del acero galvanizado no se vea comprometido, la estética puede verse afectada. 17 ASOCIACIÓN LATINOAMERICANA DE ZINC-LATIZA. Op. cit. 54 Contacto con otros metales. Sólo existe una pequeña corrosión adicional del zinc como resultado del contacto con la mayoría de los metales, en mayor parte por las condiciones climáticas. La corrosión bimetálica puede ocurrir en condiciones de inmersión o en lugares donde el agua de lluvia no puede ser fácilmente drenada o secada en la superficie de contacto. Alta temperatura. Los revestimientos galvanizados resistirán la exposición a temperaturas de aproximadamente 200° C y en ocasiones hasta 275° C, sin efecto sobre el revestimiento. Por encima de estas temperaturas, hay una tendencia a que la capa externa de zinc se separe, pero la capa de aleación de hierro/zinc, que comprende la mayor parte de la capa permanezca intacta. Por lo tanto, se puede ofrecer una protección adecuada por lo general en el punto de fusión de la capa de aleación (unos 530° C). Contacto con materiales de construcción. El acero galvanizado puede utilizarse en contacto con mortero, cemento, hormigón y en yeso húmedo. Estos elementos presentan mínima acción corrosiva sobre los recubrimientos, mientras se secan o se asientan. El producto de la corrosión formado es muy adhesivo y menos voluminoso que el acero, evitando así la aparición de fisuras y grietas en estructuras de hormigón armado. En la tabla 3 se muestra la corrosión del acero galvanizado derivados del contacto con otros metales las convenciones de lectura son las siguientes: 0 - El zinc y acero galvanizado no van a sufrir corrosión adicional o a lo máximo van a sufrir una pequeña corrosión adicional generalmente tolerable en servicio. 1 - El zinc y acero galvanizado van a sufrir corrosión adicional pequeña o moderada, que puede tolerarse en algunas circunstancias. 2 - El zinc y el acero van a sufrir corrosión adicional muy grave y a menudo son necesarias medidas complementarias para la seguridad. 3 - El zinc y acero galvanizado pueden sufrir aún corrosión más severa. Uno debe evitar el contacto. 55 Tabla 3. Corrosión del acero galvanizado derivados del contacto con otros metales. Fuente. BRITISH STANDARDS INSTITUTION. Tabla 23. Pp. 6484-1979 [en línea]. Bogotá [citado 05 Mayo, 2015]. Disponible en Internet: <URL http://latiza.com/archivos_publicar/Revista_latiza.pdf>. 3.5 COSTOS Y ECONOMÍA Una galvanización ofrece beneficios incomparables en el costo de la vida útil de las estructuras y los componentes de acero, y demuestra también ser competitivo en términos del costo inicial. El costo real de la protección contra la corrosión en la estructura de acero considera dos puntos importantes: El costo inicial por protección. 56 El costo en la vida útil. El costo inicial de la vida útil incluye el costo de mantenimiento. Esto es, el costo para que la estructura de acero esté protegida contra la corrosión durante toda su vida de servicio. 3.5.1 Costo inicial. Normalmente, la galvanización por inmersión en caliente es considerada más cara de lo que realmente es. Hay dos razones para esto. Primero, por ser una capa de alto rendimiento, automáticamente se considera cara. En segundo lugar, el costo inicial de la galvanización con relación a la pintura ha cambiado significativamente en los últimos años. El precio de la pintura ha sufrido un aumento constante, mientras que la galvanización se mantuvo estable. La Asociación de Galvanizadores ha encargado recientemente a consultores independientes, The Steel Protection Consultancy LTD (SPC), es decir, la Consultoría de Protección del Acero (CPA), una investigación sobre la competitividad en los costos de la galvanización. El CPA, conjuntamente con los ingenieros de la consultoría de WS Atkins, ha diseñado una construcción típica con marco de acero de 240 toneladas para ser cotizado. Se especificaron dos sistemas de protección contra la corrosión: Galvanización por inmersión en caliente. Un chorro abrasivo de buena calidad y un esquema de pintura con tres capas que forman una película seca de 250 micras de espesor. Se consideraron las cotizaciones de ocho fabricantes diferentes en el Reino Unido. Se consideró que el sistema de pintura era un 35% más caro que el galvanizado por inmersión en caliente. Se muestra que para muchas aplicaciones el costo de galvanización por inmersión en caliente es menor que el de la aplicación de recubrimientos alternativos. La razón de esto es simple: las alternativas tales como las pinturas requieren mucha mano de obra, en comparación con la galvanización que resulta ser un proceso de fábrica, muy mecanizado y estrictamente controlado. 3.5.2 Costo total de la vida en servicio. El costo de la vida útil completa de un edificio puede ser definida como: "El costo de la adquisición, operación y mantenimiento de un edificio a lo largo de su vida útil". El costo total de la vida puede ser caracterizado como un sistema que cuantifica el valor financiero de los edificios, desde su concepción hasta el fin de sus vidas. Es un enfoque que equilibra los ingresos con los gastos de capital para llegar a una solución óptima a lo largo de la vida completa de un edificio. 57 Aunque no es nueva en los últimos años, esta técnica ha sido aceptada como parte de las buenas prácticas en la compra de una construcción. El costo total de la vida se puede utilizar en cualquier etapa de la contratación y también se utiliza para las instalaciones, funciones, sistemas y componentes. Abarca desde el proyecto inicial hasta el final de la vida de servicio. Se estima que hasta un 80% de la vida de un edificio puede atribuirse a los gastos de administración, mantenimiento y renovación. En consecuencia, hay picos en los gastos en los primeros diez años y después cada cinco años como se muestra en la figura 23. La elección inicial de los materiales y cómo el edificio ha sido protegido, obviamente, juegan un papel importante en los costos de mantenimiento y las reformas durante la vida útil de un edificio. Por lo tanto, ejercen una gran influencia en el perfil del costo total de la vida del proyecto. Figura 23. Costos de la vida en servicio. Fuente. GUÍA PARA LA GALVANIZACIÓN EN CALIENTE [en línea]. Bogotá [citado 14 Noviembre, 2014]. Disponible en Internet: <URL http://latiza.com/archivos_publicar/Revista_latiza.pdf>. 58 Figura 24. Costos a lo largo del ciclo de vida. Fuente GUÍA PARA LA GALVANIZACIÓN EN CALIENTE [en línea]. Bogotá [citado 14 Noviembre, 2014]. Disponible en Internet: <URL http://latiza.com/archivos_publicar/Revista_latiza.pdf>. El costo global de la protección de una fabricación de acero a lo largo de su vida depende del valor y la durabilidad de la capa original en el entorno específico, además de los costos y la frecuencia del tratamiento adicional. Sobre todo en el caso en que se requiere que la vida útil sea superior a la de la capa original.18 En la mayoría de las aplicaciones, el galvanizado por inmersión en caliente le proveerá mucho tiempo sin reparaciones y le será duradera, sin necesidad alguna de pintura de mantenimiento. Hay formas de calcular los beneficios o desventajas de los diferentes métodos de protección contra la corrosión. El método más común consiste en calcular el Valor Actual Neto (Ecuación) de cada método y comparar los resultados. Este cálculo tiene en cuenta el costo de pedir dinero prestado, el costo inicial de la protección, los costos de mantenimiento y la vida posterior del proyecto. A menudo es utilizado por las empresas para medir el posible resultado de la inversión de capital en un proyecto. Ecuación cálculo del valor actual neto 18 Ibíd. 59 L = Costo inicial del sistema de protección M1 = Costo de mantenimiento en el año P1 M2 = Costo de mantenimiento en el año P2 r = Tasa de retorno 3.5.3 Durabilidad y vida útil. El periodo de vida de los productos galvanizados varía de acuerdo con las condiciones ambientales en las cuales se encuentre. Haciendo referencia a condiciones ambientales extremas, estos productos, tienen una vida mínima sin oxidarse de 10 años. Figura 25. Gráfica durabilidad. Fuente. ASOCIACIÓN LATINOAMERICANA DE ZINC-LATIZA. Cartilla manual de galvanizado [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.latiza.com/archivos_publicar/Guia-de-galvanizacal.pdf>. Los recubrimientos de zinc más delgados no duran tanto porque la protección proporcionada por los recubrimientos de zinc es directamente proporcional a su espesor. La resistencia a la corrosión del zinc depende en primer lugar de una película protectora (pátina) que se forma en su superficie. 60 Un recubrimiento galvanizado típico de 85 μm puede prolongar la vida de servicio de una estructura exenta de mantenimiento (en ambientes rurales y urbanos). Para servicio en ambientes más agresivos, es posible obtener recubrimientos más gruesos sobre el acero estructural con el correspondiente aumento proporcional de su durabilidad. El costo inicial de la galvanización que en muchas aplicaciones, es inferior al de otros posibles recubrimientos alternativos, se pone claramente de manifiesto cuando se toma en cuenta la elevada duración de los recubrimientos galvanizados, dando como resultado que este procedimiento sea el más económico de todos los conocidos para la protección a largo plazo de las construcciones metálicas fabricadas con acero. A continuación se presenta un ejemplo de protección para dos elementos metálicos a instalarse en un tipo de ambiente C3 que representa las condiciones ambientales generales de la ciudad de Bogotá. En este ejemplo se compara la protección con galvanizado en caliente y una protección con un recubrimiento más utilizado, para la cual se utilizan actividades como: Limpieza Sandblasting según la norma SSPC SP-6. Imprimante: espesor de 3 mils. Barrera: espesor de 3 mils. Acabado: Esmalte espesor de 3 mils.19 Tabla 4. Comparativo de un Angulo de 2”x1/4”. ANGULO DE 2" X 1/4" GALVANIZADO PINTURA Costo protección inicial (Kg) $900 $1.179 Duración protección Más de 30 años Ocho años Al noveno año cada dos Mantenimiento No necesita años sucesivos Tiempo de aplicación en días 2 días 7 días aproximadamente Fuente. ANDI, Cámara Fedemetal, Comité de Galvanizadores [en línea]. Bogotá [citado 05 Mayo, 2015]. Disponible en Internet: <URL http://www.idu.gov.co_guia_galvanizado_24nov14.pdf>. 19 ANDI, Cámara Fedemetal, Comité de Galvanizadores [en línea]. Bogotá [citado 05 Mayo, 2015]. Disponible en Internet: <URL http://www.idu.gov.co_guia_galvanizado_24nov14.pdf>. 61 Tabla 5. Comparativo de una Viga IPE 200. VIGAS IPE 200 GALVANIZADO Costo protección inicial (Kg) $850 Duración protección Más de 30 años Mantenimiento No necesita PINTURA $1.000 Ocho años Al noveno año cada dos años sucesivos Tiempo de aplicación en días 2 días 7 días aproximadamente Fuente. ANDI, Cámara Fedemetal, Comité de Galvanizadores [en línea]. Bogotá [citado 05 Mayo, 2015]. Disponible en Internet: <URL http://www.idu.gov.co_guia_galvanizado_24nov14.pdf>. Tabla 6. Comparativo del costo a 30 años de un Angulo de 2”x1/4”. ANGULO DE 2" X 1/4" GALVANIZADO PINTURA Costo protección inicial (Kg) $900 $1.179 Costo cada mantenimiento $0 $1.000 (Kg) Costo total (Kg) $900 $12.179 Fuente. ANDI, Cámara Fedemetal, Comité de Galvanizadores [en línea]. Bogotá [citado 05 Mayo, 2015]. Disponible en Internet: <URL http://www.idu.gov.co_guia_galvanizado_24nov14.pdf>. Tabla 7. Comparativo del costo a 30 años de una Viga IPE 200. VIGAS IPE 200 GALVANIZADO PINTURA Costo protección inicial (Kg) $850 $1.000 Costo cada mantenimiento (Kg) $0 $900 Costo total (Kg) $850 $10.900 Fuente. ANDI, Cámara Fedemetal, Comité de Galvanizadores [en línea]. Bogotá [citado 05 Mayo, 2015]. Disponible en Internet: <URL http://www.idu.gov.co_guia_galvanizado_24nov14.pdf>. Dando el alcance al ejemplo anterior, se realiza un comparativo entre el costo inicial y el mantenimiento para ángulos y vigas IP en comparación con galvanizado y un recubrimiento más utilizado con una duración de 30 años. Desde la protección como costo inicial, el galvanizado es más económico que el recubrimiento más utilizado para este tipo de materia prima. Para el caso del mantenimiento del galvanizado a los 30 años continua con el mismo costo inicial, mientras que utilizando el recubrimiento más utilizado este costo equivale a 12 veces más aprox. que el costo inicial del producto. Consideremos el caso de una estructura de acero que tiene una vida prevista de 25 años y cuya tasa de retorno de la inversión es del 5%. 62 Galvanización: Sistema 1. La galvanización por inmersión en caliente de un material de recubrimiento medio de 85μm en acero de 6 mm o más grueso. Debido a que la galvanización de ese modelo tiene una esperanza de vida media de más de 50 años, resulta demasiado conservadora una vida útil de 25 años sin mayor mantenimiento. El costo de galvanización es de un valor base de 100 unidades. No existen otros costos de mantenimiento. (VPN = 100) Pintura: Sistema 2. Un sistema de pintura que consta de una limpieza seguida de un revestimiento interior y dos capas exteriores de pintura. Este sistema tiene una vida útil de ocho años y por lo tanto necesita pintura nueva tres veces cada 25 años. El costo inicial es ligeramente inferior a la galvanización por inmersión en caliente (90 unidades). El valor de la pintura para las dos primeras ocasiones es de 45 unidades, pero sube a 90 unidades para la tercera pintura en donde se debe retirar la pintura original (VPN = 169). Pintura: Sistema 3. Un sistema superior de pintura que consiste en la limpieza abrasiva seguida por tres capas de pintura de mejor calidad. Este sistema tiene una vida útil de 11 años y necesita ser repintado dos veces cada 25 años. El costo inicial resulta ser mayor que el del otro sistema de pintura (135 unidades). El costo de la pintura es la mitad de ese valor a 67,5 unidades (VPL = 197,5). Conclusión. En los 25 años del proyecto, el costo de un sistema de pintura "más barato" resultó ser un 70% más alto en comparación con el costo de la galvanización. Del mismo modo, el valor de un sistema de pintura “más caro" es casi el doble de la galvanización. En términos de costo, la galvanización por inmersión en caliente es comparable con el sistema de pintura de buena calidad. Sin embargo, cuando consideramos el costo de la vida útil, la galvanización por inmersión en caliente es considerablemente más barata que la mayoría de los sistemas.20 3.5.4 Costos actuales de un sistema de protección. Tabla 8. Costo galvanizado vs. Costo pintura. Para un elemento de Pintura Galvanizado e= 6mm Alquidica Costo inicial (Kg) $ 800 - $ 900 $600 Duración protección Más de 30 años Tres años 20 ASOCIACIÓN LATINOAMERICANA DE ZINC-LATIZA. Op. cit. 63 Pintura Epóxica $1.350 Ocho años Para un elemento de e= 6mm Mantenimiento Galvanizado No necesita Pintura Alquidica Pintura Epóxica Al noveno año Al cuarto año y y cada dos cada año años sucesivo sucesivos $600 $1.350 Costo inicial (Kg) $900 Costo cada $0 $450 $680 mantenimiento (Kg) Costo total (Kg) $900 $12.750 $8.830 Fuente. ACERAL. Acero estructural de Colombia [en línea]. Bogotá, [citado 05 Mayo, 2015]. Disponible en Internet: <URL http://www.aceral.com.co/galvanizacion.html>. Figura 26. Gráfica comparativa de costos. Fuente. ACERAL. Acero estructural de Colombia [en línea]. Bogotá, [citado 05 Mayo, 2015]. Disponible en Internet: <URL http://www.aceral.com.co/galvanizacion.html>. 3.6 CONTROL CALIDAD A PIEZAS GALVANIZADAS Se pueden observar pequeños cambios en el acabado de acero galvanizado que no afectan las características de la capa protectora. El grupo de galvanizadores consiste en que las empresas miembros deben mantener los estándares más altos de calidad mediante la ejecución de la regla ABNT NBR 6323. Los requisitos 64 normativos de estas reglas garantizan que el recubrimiento de zinc sea continuo en el grosor establecido. 3.6.1 Acabado del recubrimiento. La tabla 9 resume las condiciones observables en el acabado. Las variaciones por lo general son causadas por las características de su propio acero, y la aceptabilidad de un revestimiento debe ser considerado, especialmente en su rendimiento a largo plazo y su resistencia a la corrosión. Tabla 9. Resumen de las variaciones en el acabado de los materiales galvanizados. Apariencia Aceptabilidad de protección Recubrimiento en gris opaco (no contiene zinc libre, solo aleación de Aceptable hierro y zinc). Aceptable, siempre que no comprometa Exceso de zinc acumulado la funcionalidad de la pieza Aceptable (Quitar fácilmente con cepillo Manchas de oxido rígido) Aspereza general Aceptable, siempre están de acuerdo Sin uniformidad y drenaje (Drenaje Aceptable, siempre estaban de acuerdo desigual) Aceptable, siempre que la Grumos (grano) contaminación con sedimento no sea excesiva Aceptable, siempre que no comprometa Corrosión blanca el espesor de revestimiento ABNT NBR 6323 Aceptable, siempre que sea retirada y el Mancha de flujo zinc permanezca intacto Inaceptable, zonas dañadas se pueden Puntos de vista retocar según ABNT NBR 6323 Fuente. ASOCIACIÓN LATINOAMERICANA DE ZINC-LATIZA. Protección del acero mediante galvanizado en caliente [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.latiza.com/archivos_publicar/Guia-de-galvanizacal.pdf>. 3.7 TIPOS DE APARIENCIA EN RECUBRIMIENTOS GALVANIZADOS 3.7.1 Recubrimiento en gris opaco. La causa de este aspecto es la distribución de hierro para formar fases de la aleación Fe-Zn en la superficie del recubrimiento. Se desarrolla en zonas localizadas, pero se puede extender sobre toda la superficie 65 de la pieza. Ocurre principalmente en aceros con contenido relativamente alto de silicio o fósforo, sustancias más reactivas con el zinc fundido. Debido a que estos recubrimientos son en muchos casos más gruesos que los normales, ostentan una vida más larga. Rara vez se da el caso de que el galvanizador disminuya ese efecto, el cual es el resultado de la composición química del acero (ver figura 27). Figura 27. Recubrimiento en gris opaco. Fuente. GUÍA PARA LA GALVANIZACIÓN EN CALIENTE [en línea]. Bogotá [citado 14 Noviembre, 2014]. Disponible en Internet: <URL http://latiza.com/archivos_publicar/Revista_latiza.pdf>. 3.7.2 Manchas de oxidación. El acero galvanizado a veces tiene manchas de óxido. Esto puede dar la impresión equivocada de que hay defectos en el recubrimiento y en ocasiones ser visualmente inaceptable. Este efecto puede darse debido a uno o más de los siguientes factores: Contacto directo de las piezas galvanizadas con acero sin protección o con la protección inadecuada (por ejemplo, las secciones de acero galvanizado fijadas con tornillos de acero sin protección, laminados o pintadas). Los depósitos de polvo de hierro y acero de otras operaciones o fuentes sobre la superficie galvanizada. El drenaje de agua de una pieza de acero sin protección o insuficiente protegida (por ejemplo, las áreas dañadas en las estructuras de acero pintadas). Residuos de limpieza en soldaduras o placas sobrepuestas. Durante la limpieza, el ácido puede penetrar en el área de soldadura a través de los orificios para pernos u otros espacios en la soldadura (chorro ácido). 66 Óxido en zonas soldadas después de la galvanización y dejadas sin protección o con protección inadecuada. Agua corriente de otros materiales, materiales conocidos como el cobre y ciertos tipos de madera dura (por ejemplo, el roble). Este efecto puede ocurrir siempre que el agua disuelva materiales de una superficie y los deposite en el acero galvanizado. Figura 28. Manchas de oxidación. Fuente. GUÍA PARA LA GALVANIZACIÓN EN CALIENTE [en línea]. Bogotá [citado 14 Noviembre, 2014]. Disponible en Internet: <URL http://latiza.com/archivos_publicar/Revista_latiza.pdf>. Para evitar las manchas de óxido, todas las partes de la estructura deben recibir una protección eficaz contra la corrosión, cuando sea posible. Tuercas, tornillos y otros fijadores también deben ser galvanizados por inmersión en caliente por el método de centrifugado. La soldadura deberá ser continua, cuando sea posible, para minimizar la retención de residuos de limpieza y también estar libres de desechos. Las estructuras deben estar diseñadas para evitar la afluencia del agua de otros metales en el acero galvanizado. Cuando sea necesaria la soldadura después de la galvanización, las zonas soldadas deben ser cuidadosamente limpiadas y el recubrimiento de zinc restaurado. Las manchas de la mayoría de fuentes externas no tienen ningún efecto sobre la vida útil del revestimiento. Sin embargo, las zonas afectadas se pueden limpiar para mejorar el aspecto de la estructura. Por lo general, puede utilizar un cepillo duro o polvo abrasivo para remover la mancha y dejar el recubrimiento galvanizado intacto. 67 3.7.3 Aspereza general. El recubrimiento áspero ocurre debido a la formación irregular de capas de Fe-Zn y Zn puro, debido a la composición química de la superficie de acero o el estado superficial de la pieza. Estos factores se encuentran fuera del control del galvanizador. Al tener baja potencia de cobre, el zinc no corrige las fallas en la superficie del material. La rugosidad originada en el proceso de galvanización se debe al exceso de extracción, la inmersión por tiempo prolongado del tanque de galvanización o la alta temperatura del zinc fundido. El recubrimiento áspero suele ser más grueso que el recubrimiento convencional. En aplicaciones donde el acabamiento áspero es estéticamente inaceptable o perjudica el rendimiento del producto, rara vez es posible que el galvanizador pueda alcanzar una cierta mejora. La composición química y la superficie del material deben ser cuidadosamente especificadas.21 Figura 29. Aspereza general. Fuente. GUÍA PARA LA GALVANIZACIÓN EN CALIENTE [en línea]. Bogotá [citado 14 Noviembre, 2014]. Disponible en Internet: <URL http://latiza.com/archivos_publicar/Revista_latiza.pdf>. 3.7.4 Sin uniformidad y drenaje. Asimismo, puede presentarse una capa irregular dependiendo de la complejidad y la composición química del material procesado. No se puede exigir el mismo acabado para la galvanización de piezas ejecutadas por un proceso discontinuo u otro continuo. Dependiendo de la geometría de las piezas, algunas variables del proceso deben tenerse en cuenta, como la temperatura del zinc fundido, la velocidad y la salida de la parte de inmersión del baño de zinc, velocidad de enfriamiento y el tiempo de permanencia de la pieza en el baño de zinc. 21 Ibíd. 68 El exceso causado por el flujo desigual del zinc en una pieza, cuando se retira de la bañera, puede suceder por causa de la forma de la trayectoria de los componentes, no se daña la vida útil del recubrimiento. Las puntas afiladas del exceso de zinc solidificado no son aceptables, ya que pueden presentar riesgos durante la manipulación. Las fabricaciones con áreas en las que las puntas se retiraron, dejando al descubierto el acero, exigen la reparación de la cubierta según las explicaciones en el dorso. Figura 30. Sin uniformidad y drenaje. Fuente. GUÍA PARA LA GALVANIZACIÓN EN CALIENTE [en línea]. Bogotá [citado 14 Noviembre, 2014]. Disponible en Internet: <URL http://latiza.com/archivos_publicar/Revista_latiza.pdf>. 3.7.5 Grumos o granos. Son depósitos de diversos tipos, formas y dimensiones que forman parte de la capa de zinc. Los grumos se forman cuando las impurezas del baño de zinc (lodos, óxidos, plomo), se fijan en la superficie de la pieza con zinc en el momento de su retirada de la bañera. La presencia de excesiva cantidad de grumos suele ser causa de rechazo, ya que tienden a debilitar el recubrimiento. 69 Figura 31. Grumos o granos. Fuente. GUÍA PARA LA GALVANIZACIÓN EN CALIENTE [en línea]. Bogotá [citado 14 Noviembre, 2014]. Disponible en Internet: <URL http://latiza.com/archivos_publicar/Revista_latiza.pdf>. 3.7.6 Corrosión blanca. Es el nombre dado a los depósitos blancos que se forman en la superficie de la pieza con zinc, debido al almacenamiento o transporte en condiciones de mala ventilación o humedad. A pesar de la apariencia, la corrosión blanca no pone en peligro la capa de zinc origina, en caso de duda, debe procederse a una limpieza del área afectada y verificar su espesor. Para evitar la corrosión blanca en el almacenamiento, las piezas recubiertas de zinc deben ser transportadas y almacenadas en un lugar seco y aireado. Si son almacenadas al aire libre, las piezas no deben estar en contacto cercano: la circulación libre de aire es necesaria para evitar la condensación y la retención la humedad. Se debe evitar el agrupamiento o contenedor cerrado, porque la acción capilar puede dibujar superficies de agua en el contacto cercano. Las piezas no deben almacenarse en contacto directo con el suelo. Para prevenir la aparición de corrosión blanca, los galvanizadores utilizan un proceso de estabilización pasiva, que consiste en aplicar una solución que inhibe la corrosión blanca. Sin embargo, estas medidas no se encuentras exentas de atención en el almacenamiento del acero galvanizado. 70 Figura 32. Corrosión blanca. Fuente. GUÍA PARA LA GALVANIZACIÓN EN CALIENTE [en línea]. Bogotá [citado 14 Noviembre, 2014]. Disponible en Internet: <URL http://latiza.com/archivos_publicar/Revista_latiza.pdf>. 3.7.7 Manchas de flujo. Debido a la acción del sacrificio del zinc, las fallas pequeñas, 8 mm² a lo sumo, son protegidas y ejercen poco efecto sobre la vida del recubrimiento. Grandes áreas descubiertas son generalmente el resultado de procesos defectuosos y deben ser rechazadas. Las causas del problema sólo serán responsabilidad del galvanizador si hubo un tratamiento previo deficiente, excesivo, temperatura de secado antes de la galvanización o piezas apoyándose unas sobre otras durante la inmersión en el baño. Los puntos descubiertos pueden ser causados también por los defectos del acero laminado. Pequeñas áreas de la capa pueden a veces paralizar las operaciones de corte o soldadura después de la galvanización. Los hierros fundidos de color gris en el decapado químico presentan nódulos de grafito que afloran en la superficie y causan fallos en la galvanización. Por lo tanto, se recomienda el chorreamiento de estos materiales antes de la galvanización. A pesar de la excelente resistencia del recubrimiento de zinc, pueden dañarse áreas pequeñas durante el transporte, manipulación y montaje. La reparación de estas áreas debe ser realizada de acuerdo con ABNT N BR 6323. 71 Figura 33. Corrosión blanca. Fuente. GUÍA PARA LA GALVANIZACIÓN EN CALIENTE [en línea]. Bogotá [citado 14 Noviembre, 2014]. Disponible en Internet: <URL http://latiza.com/archivos_publicar/Revista_latiza.pdf>. 3.7.8 Retoque de revestimientos dañados. Pequeñas áreas de la capa puede ser dañadas a través de operaciones como el corte o la soldadura después de la galvanización y, a pesar de que el recubrimiento galvanizado tiene una excelente resistencia a los tratamientos agresivos, pequeñas áreas de daño pueden presentarse ocasionalmente en el transporte y construcción. Debido a la protección de sacrificio del zinc, los pequeños fallos no causan la reducción de la protección. Sin embargo, generalmente con fines estéticos, la capa se renueva aunque sólo sea en pequeñas áreas. De acuerdo con ABNT NBR 6323, los defectos que no excedan del 0,5% de la superficie pueden ser retocados por metalización (proyección térmica) o por la aplicación de pinturas ricas en zinc. Estas reparaciones deben hacerse sobre la superficie limpiada adecuadamente. La pintura rica en zinc es más fácil de ser aplicada, especialmente en el campo.22 3.7.9 Medición del peso o el espesor del recubrimiento. En la mayoría de los casos, el proceso asegura un peso de recubrimiento y espesor suficiente para satisfacer las demandas tanto del ABNT y otras normas internacionales. Las pruebas determinan el éxito del proceso: Peso de la capa: ABNT NBR 7397, ensayo destructivo que se aplicarán en la pieza de ensayo consiste en verificar el peso de (g/m2) de zinc en la pieza. Esto es una prueba que se debe hacer al inicio. 22 Ibíd. 72 Espesor de la capa ABNT NBR 7399, que permite a los ensayos no destructivos, con precisión, sabiendo que el espesor del recubrimiento aplicado en la pieza. Hay dispositivos, la atracción magnética y el principio de inducción magnética. Estos ensayos no destructivos se pueden realizar en cualquier etapa de la vida de una sola pieza galvanizada con el fin de fijar el espesor del recubrimiento de zinc restantes. 3.8 PINTADO DEL ACERO GALVANIZADO EN CALIENTE - SISTEMA DUPLEX Los revestimientos dúplex es un término inventado por JFH van Eijnsbergen, el célebre experto en corrosión. A comienzos de los años 50, describe la protección del acero por un revestimiento de zinc que está recubierto por un revestimiento no metálico. El propósito es dar una resistencia adicional, especialmente si es necesario o cuando se necesita dar una imagen placentera. La vida de la resistencia contra la corrosión de revestimiento dúplex, propiamente aplicado es mayor que las duraciones de dos revestimientos individuales. Típicamente, en un clima bastante agresivo, el factor de crecimiento es de 1.8 a 2.0 3n agua salada es 1.3 y en clima no agresivo es de 2.0 a 2.7. La protección efectiva del sistema dúplex es solo posible sui la adhesión del revestimiento interno, a largo plazo se obtiene mediante revestimientos de pintura que no reaccionan con el sustrato de zinc. La preparación inadecuada y la limpieza de la superficie de zinc, antes de la aplicación de un sistema de pintura compatible o revestimiento en polvos, es la causa principal de la falla prematura. Debido a que los revestimientos de pinturas son permeables, en menor o mayor grado, el agua puede penetrar por un periodo de tiempo a la superficie de zinc y puede reaccionar con el zinc. Los productos de corrosión sólida son aproximadamente 20% más grandes en tamaños, que el zinc de donde salen, mientras que la producción contra la corrosión del acero tiene el doble del volumen aumenta al doble. En caso de revestimientos dúplex, esto puede beneficioso ya que los defectos de los revestimientos orgánicos pueden sellarse parcialmente y retardar la maleabilidad. Sin embargo, el ataque excesivo a la interface ocasionará que se pele o que aparezcan burbujas, pero en menor extensión que si son producidos los productos de corrosión de acero más grandes.23 Los revestimientos galvanizados por inmersión en caliente en aceros calmados de silicio son más fáciles de pintar que los revestimientos de zinc puros en planchas continuamente galvanizadas, debido a la presencia de la aleación de hierro/zinc. 23 Ibíd. 73 Sin revestimientos de zinc térmicamente rociados, se recomienda aplicar un revestimiento sellador inicial que previene la absorción de zinc, por tanto, dejando un revestimiento lleno de pigmento, el que tiende a desintegrase. Figura 34. Esquema sistema dúplex. Fuente. MORENO HERNÁNDEZ. Jhon. Sistemas dúplex: una protección contra la corrosión para el acero [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.metalactual.com/revista/32/recubrimientos_duplex.pdf>. 3.8.1 Efecto sinérgico. Es galvanizado más recubrimiento, el esquema de pintar una superficie metálica que previamente ha sido galvanizada, para proporcionar un mejor sistema de protección contra la corrosión, se conoce como efecto sinérgico. El zinc de la galvanoplastia proporciona protección catódica y de barrera al acero; por su parte, el recubrimiento protege por barrera al galvanizado. El recubrimiento de pintura disminuye la velocidad del sacrificio del zinc y, a su vez, el galvanizado evita que la humedad que se pudiese filtrar a través de la pintura por diversas razones. Las principales razones son el daño de la película, envejecimiento, cuarteamiento, tizamiento o porque la misma llegó al fin de su ciclo de vida útil, afecte el material y lo deteriore. En todo caso, el zinc, que en mayor porcentaje permanecerá intacto, protegerá al acero catódicamente.24 Por ejemplo, en el caso de que se presente una falla en el recubrimiento por la falta de continuidad en la película, defecto conocido como ‘pinhole’ (agujeros), la 24 MORENO HERNÁNDEZ. Jhon. Sistemas dúplex: una protección contra la corrosión para el acero [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.metalactual.com/revista/32/recubrimientos_duplex.pdf>. 74 superficie metálica que este galvanizada eliminara a tiempo la formación de corrosión, porque el zinc actuará como barrera. El efecto sinérgico es crucial en áreas como las esquinas de las piezas metálicas, ya que en dichas zonas la pintura suele quedar de bajo espesor, lo que ocasiona la afectación de la vida útil de la película y aumenta el riesgo de fallas por diversos factores. Por su parte, en un acero previamente galvanizado, estas zonas tienden a tener más espesor que en el resto de la geometría del elemento metálico, debido a las reacciones de aleación metalúrgica entre el zinc y el acero como muestra la figura 35. Si falla el recubrimiento y el acero no está galvanizado, el electrólito llegaría al sustrato metálico y el proceso de corrosión sería inminente como muestra la figura 36. Esto no quiere decir que todos los sustratos metálicos deben ser galvanizados para evitar problemas de corrosión, si el sistema de pintura falla, ya que actualmente existen muchos recubrimientos de alto desempeño y esquemas tricapa de pinturas, compuestos por un imprimante o “primer”, en ocasiones con contenido de zinc, o simplemente epóxidos modificados de altos desempeño, que tienen una vida útil de quince años o más. Lo cierto es que la sinergia de los dos sistemas de protección contra la corrosión funciona mejor que cada uno por separado y, que su combinación puede garantizar una vida útil más larga para la estructura y para el galvanizado, lo que genera amplios beneficios y ahorros en costos de mantenimiento para el empresario. La doble protección cobra más importancia al considerar que actualmente la mayoría de las estructuras metálicas galvanizadas se utilizan en obras de construcción e infraestructura como puentes, edificios, bodegas, cubiertas y carrocerías, las cuales deben soportar factores extremos de corrosión; además, que muchas veces, por costos, la industria no invierte en recubrimientos de alto desempeño o esquemas tricapa, y prefiere sistemas de dos capas (barrera y acabado), monocomponentes de bajo precio y poca vida útil, que algunos mercados definen como recubrimientos de mantenimiento liviano. Muchas pruebas han demostrado que un sistema dúplex tiene una duración de 1,5 a 2,5 veces más que el galvanizado por sí solo. A su vez, esta vida se puede extender con un adecuado mantenimiento periódico, gracias a la sinergia entre el galvanizado y los recubrimientos. 75 Figura 35. Reacción de difusión entre el zinc y el acero. Fuente. MORENO HERNÁNDEZ. Jhon. Sistemas dúplex: una protección contra la corrosión para el acero [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.metalactual.com/revista/32/recubrimientos_duplex.pdf>. Figura 36. Esquema de un recubrimiento que falla y se produce corrosión. Fuente. MORENO HERNÁNDEZ. Jhon. Sistemas dúplex: una protección contra la corrosión para el acero [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.metalactual.com/revista/32/recubrimientos_duplex.pdf>. 3.8.2 Ventajas del sistema dúplex. No se puede generalizar que todas las estructuras necesiten el sistema dúplex, cada proyecto es diferente y la decisión de utilizarlo o no, dependerá de las necesidades del empresario y del proyecto, su ubicación geográfica, los ambientes corrosivos a los que va a estar sometida la estructura metálica y, especialmente, de la relación costo-beneficio que se espere 76 del proyecto. Inherente a las variables mencionadas, algunas de las ventajas de utilizar el sistema dúplex son: Mayor resistencia de la corrosión que traduce en una mayor vida útil de la estructura metálica. Efecto de sinergia es cuando la protección contra la corrosión se mayora de 1,5 a 2,5 veces más que la suma de toda la vida del galvanizado; por ejemplo, si la duración proyectada de una pieza galvanizada es de 40 años y la de la pintura es de 10 años, el sistema combinado debe durar por lo menos 75 años. Es un sistema económico al reducir los costos de mantenimiento se alarga el ciclo de vida útil de la estructura, antes del primer mantenimiento. Tiene mantenimientos de repintado sencillo, cuando sea necesario realizar el mantenimiento del recubrimiento, por pérdida de color o brillo debido a los agentes atmosféricos, la superficie expuesta puede ser repintada con mínima preparación. Aumenta la calidad estética, cuando se requiere que el galvanizado no quede con su aspecto gris metálico, sino que por necesidades estéticas o requerimientos de diseño sea necesario darle color. Aumenta la seguridad industrial, el sistema dúplex permite adaptar las estructuras galvanizadas a la normatividad y exigencia de color de cada industria; por ejemplo, para las torres de comunicación, que por legislación aeronáutica deben pintarse de color naranja y blanco. 3.8.3 Cómo pintar sobre galvanizado. Como en todos los materiales metálicos, la preparación de la superficie es un factor crítico para lograr una buena adherencia del recubrimiento, conviene recordar que el 70 % del éxito de un recubrimiento depende de la preparación previa de la superficie. Realizar una correcta limpieza, obtener el perfil de anclaje adecuado, y elegir un recubrimiento compatible con el galvanizado es muy importante para no tener problemas de adherencia. Sin embargo, antes de describir los procesos de preparación superficial del galvanizado, para su posterior pintura, es preciso mencionar los tres tipos de envejecimiento que puede presentar este tipo de acero, incluidos en la norma ASTM D6386, y de los cuales depende la elección del método de preparación. Acero recién galvanizado: se realiza cuando el acero que ha sido tratado por inmersión en caliente, y no ha superado las 48 horas desde el proceso de galvanización; la superficie típica de este acero es suave y tiene poco o ningún 77 óxido o hidróxido de zinc, por lo que se tendrá que tratar para que quede ligeramente rugoso.25 Acero galvanizado parcialmente degradado: en este punto la superficie del acero galvanizado ha empezado a formar la tradicional pátina protectora del zinc; por ello, antes de pintar el acero hay que conocer si a la pieza tiene un tratamiento térmico de temple por cromo En tercer caso de detectase capas de cromo, estas deben ser eliminadas por medio de lijas. Figura 37. Sistema dúplex en una torre de comunicación. Fuente: PRIMERA DECISIÓN, S.A. Torres de comunicaciones [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.and.mx/torre.html>. Conviene tener especial cuidado cuando el galvanizado está parcialmente degradado ya que el acero puede presentar acumulación excesiva de corrosión, posiblemente generada durante el transporte del material, estos productos son 25 MORENO HERNÁNDEZ. Jhon. Sistemas dúplex: una protección contra la corrosión para el acero [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://www.metalactual.com/revista/32/recubrimientos_duplex.pdf>. 78 higroscópicos; es decir, absorben la humedad del medio circundante, y la adherencia del recubrimiento puede verse afectada. Hay que retirarlas en presencia de manchas blancas sobre el galvanizado con una solución de amoniaco doméstico diluido; los casos severos de manchas deben ser tratados con una solución de ácido de baja concentración; por ejemplo, el ácido acético diluido en 25 partes de agua y recordar que la limpieza con amoniaco y ácido termina con un enjuague de agua limpia y tibia. Finalmente, es necesaria la preparación de la superficie para generar rugosidad. Acero galvanizado totalmente degradado: en este punto la superficie del acero galvanizado presenta una pátina totalmente formada de zinc, la cual tiene una superficie muy estable y finamente grabada, que propicia una excelente adherencia del recubrimiento, por ello la preparación de la superficie solo necesita un lavado con agua caliente a alta presión, sin exceder los 1450 psi., y luego, se deja secar al ambiente la superficie por completo antes de pintar. 3.8.4 Limpieza para aplicación de primer. Una vez identificado el grado de envejecimiento que posee el acero galvanizado a pintar es necesaria su limpieza; en esta etapa, el objetivo es eliminar cualquier tipo de suciedad, grasa, aceite o elemento contaminante que interfiera con la adherencia del recubrimiento y el galvanizado. Es importante cuidar que la limpieza no sea excesiva, hasta el punto de dañar el galvanizado del acero, y por ello es recomendable usar soluciones de limpieza con baños ácidos, básicos o por medio de abrasivos manuales mecánicos. De hecho, la limpieza alcalina o por medio de amoniaco y el uso de disolventes, son las formas más comunes de eliminar la suciedad de la superficie galvanizada. Limpieza alcalina: se usa una solución alcalina con rango de pH entre 11-12, no más de 13, que puede aplicarse por inmersión, aspersión o cepillado, cuidando que el cepillo sea de cerdas suaves como el nylon, y en ningún caso emplear cerdas metálicas de acero o cobre, las cuales son altamente abrasivas. La temperatura del baño debe estar entre 60 y 80 °C., luego se realizan enjuagues con agua caliente. Limpieza con solventes: se utilizan alcoholes minerales, solventes aromáticos, solventes alifáticos, aplicados con paños o cepillos de cerdas suaves. Luego se realizan enjuagues con agua caliente. Limpieza con amoniaco: se utiliza una solución de amoniaco al 2% de concentración, aplicado con paños o cepillos de cerdas suaves, luego se realizan enjuagues con agua caliente.26 26 Ibíd. 79 3.8.5 Perfil de anclaje. Para proporcionar una excelente adherencia del recubrimiento, la superficie galvanizada debe proporcionar un adecuado perfil de anclaje para la pintura; los métodos más comunes para obtener el perfil de anclaje son: fosfatado, uso de ‘Wash Primer’ uso de pasivadores acrílicos y cepillados suaves con abrasivo, cualquiera que sea el método, es vital no dañar el recubrimiento galvanizado. Eliminar los puntos altos, los bordes ásperos, que genera el proceso de galvanizado, deben ser pulidos o alisados con el fin de proporcionar una superficie plana y nivelada para el recubrimiento. Para ello, conviene realizar la preparación manual-mecánica con cuidado para evitar retirar el mínimo recubrimiento de zinc posible. Sweep Blasting, con el fin de hacer rugosa la superficie que generalmente es lisa, luego del proceso de galvanizado y de la limpieza, puede utilizarse una técnica abrasiva llamada Sweep Blasting, en la que se utiliza un abrasivo como el silicato de aluminio/magnesio, en partículas muy finas, de entre 8 y 20 mils, para granallar suavemente la superficie del material. También pueden utilizarse materiales orgánicos como cáscaras de nueces, corindón, piedra caliza arenas minerales con una dureza de Mosh no menos de 5. Selladores penetrantes, en general son productos epóxicos de dos componentes que se aplican sobre la superficie metálica galvanizada de dos a tres mils 4 de espesor de película seca, y son especialmente formulados para crear un puente de adherencia entre la pintura y la superficie galvanizada. Se ha utilizado como un método de preparación superficial, cuando la misma es difícil de limpiar como es el caso de los aceros galvanizados parcialmente degradados. Es importante pedir información técnica para el correcto uso de estos productos de acuerdo al fabricante. Tratamientos con fosfato de zinc, este tipo de tratamiento puede aplicarse por inmersión, rociado o con cepillos de cerdas suaves. El fosfato solo debe dejarse en el acero entre tres y seis minutos, luego la pieza se lava con agua limpia y se deja secar completamente; no es recomendable el fosfatado cuando se aplican pinturas ricas en zinc. Este tipo de tratamiento aumenta la adherencia y la durabilidad de la película de pintura. Wash primers, son acondicionadores de superficie que se utilizan para neutralizar óxidos e hidróxidos, así como para atacar la superficie galvaniza y generar rugosidad con el zinc; los espesores de aplicación. 80 4. CONCLUSIONES La importancia de que el acero que se utiliza para la construcción de estructuras metálicas sea galvanizado, se debe a que el hierro que contiene el acero tiene la tendencia natural a oxidarse con la presencia del oxígeno del ambiente y del agua, por tal razón es necesario protegerlo con algún recubrimiento que evite esta acción natural. El ingeniero civil calculista a la hora de diseñar elementos de estructura metálica que se vayan a fabricar y después galvanizarse en caliente, deben tenerse en cuenta el desarrollo de planos de fabricación y de conjunto soldados en beneficio del proceso de galvanizado La estructura metálica debe ser diseñada para armar con conexiones pernadas en obra se debe evitar al máximo la aplicación de soldadura después de galvanizar ya que al soldarse se debe aplicar un galvanizado en frío que solo cumple en un 25 % las características del galvanizado en caliente, debido a esto las estructuras sufren de lloradores de óxido. El proceso de galvanizado no afecta las propiedades de tensión, doblez o impacto de cualquiera de los aceros en construcción investigados al ser galvanizados en caliente en la condición manufacturada, incluso ni haciendo versiones más resientes, muestran la fragilidad del hidrogeno seguido de un previo tratamiento típico. Es mejor evadir el trabajo en frío, tales como troquelado, punzonado, cizallamiento y doblado del acero de construcción sobre 6mm de espesor cuando la pieza sea galvanizada y posteriormente sujeto a tensión critica de tracción. Si el trabajo en frío no se puede evadir, se debería realizar una prueba práctica de fragilidad según la norma ASTM A-143. Una galvanización ofrece beneficios incomparables en el costo de la vida útil de las estructuras y los componentes de acero, y demuestra también ser competitivo en términos del costo inicial en el costo real de la protección contra la corrosión en la estructura de acero considera dos puntos importantes que son como primera medida el costo inicial por protección seguido del costo en la vida útil. El costo inicial de vida útil incluye el costo de mantenimiento, esto es el verdadero costo para que la estructura de acero esté protegida contra la corrosión durante toda su vida de servicio se estima que hasta un 80% de la vida útil de un edificio puede atribuirse a los gastos de administración, mantenimiento y renovación. 81 La economía que se genera al galvanizar una estructura se estudia en el costo global de la protección de una fabricación de acero a lo largo de su vida depende del valor y la durabilidad de la capa original en el entorno específico, además de los costos y la frecuencia del tratamiento adicional. Sobre todo en el caso en que se requiere que la vida útil sea superior a la de la capa original. La protección de una estructura metálica se debe tener en cuenta desde el diseño estructural y arquitectónico, los agentes contaminantes que atacan la estructura se pueden mitigar desde la protección como costo inicial, el galvanizado es más económico que el recubrimiento más utilizado para este tipo de materia prima. Para el caso del mantenimiento del galvanizado a los 30 años continua con el mismo costo inicial, mientras que utilizando el recubrimiento más utilizado este costo equivale a 12 veces más aprox. que el costo inicial del producto. La protección de una estructura metálica cuando es galvanizada su acabado final no es estético esto se puede cambiar adicionando con la protección efectiva del sistema dúplex, muchas pruebas han demostrado que un sistema dúplex tiene una duración de 1,5 a 2,5 veces más que el galvanizado por sí solo. A su vez, esta vida se puede extender con un adecuado mantenimiento periódico, gracias a la sinergia entre el galvanizado y los recubrimientos y da una apariencia agradable y arquitectónica. La protección efectiva del sistema dúplex tiene mantenimientos de repintado sencillo, cuando sea necesario realizar el mantenimiento del recubrimiento, por pérdida de color o brillo debido a los agentes atmosféricos, la superficie expuesta puede ser repintada con mínima preparación. El sistema dúplex aumenta la calidad estética, cuando se requiere que el galvanizado no quede con su aspecto gris metálico, sino que por necesidades estéticas o requerimientos de diseño sea necesario darle color. El efecto de sinergia es cuando la protección contra la corrosión se mayora de 1,5 a 2,5 veces más que la suma de toda la vida del galvanizado; por ejemplo, si la duración proyectada de una pieza galvanizada es de 40 años y la de la pintura es de 10 años, el sistema combinado debe durar por lo menos 75 años, este tipo de sistema es usado por las petroleras ya que sus instalaciones están expuestas a la corrosión en un 100%. El efecto de sinergia aumenta la seguridad industrial con una buena preparación del sistema dúplex que se permite adaptar a las estructuras galvanizadas a la normatividad y exigencia de color de cada industria petrolera o aquella que la exija como por ejemplo, para las torres de comunicación, que por legislación aeronáutica deben pintarse de color naranja y blanco. 82 5. RECOMENDACIONES Al minimizar la fragilidad en las piezas de acero si es necesario, utilice un acero con baja susceptibilidad para la fragilidad por envejecimiento. Donde se haya trabajado en frío es necesario las limitaciones del troquelado, cizallamiento, corte con soplete, doblado, las distancias de los bordes y las aplicaciones críticas deben ser observadas. El recubrimiento adecuado con la solución fundente es extremadamente importante si se desea un recubrimiento galvanizado de una buena calidad. La solución fundente debe estar a una densidad de 1.2 a 1.22 con el nivel del pH que varía entre 3.2 y 4.5. El equilibrio entre cloruro de zinc y cloruro de amonio es extremadamente importante, idealmente la solución fundente debe ser calentada entre 60 y 70 °C. Las piezas deben ser sujetan con alambre negro de un calibre adecuado al peso de la misma, en casos en que se trate de materiales pesados (más de 300 Kg) o difícil de sujetar con alambre por su forma, es factible utilizar ganchos, varillas, cadenas o dispositivos especiales siempre y cuando el elemento de amarre no afecte la calidad del galvanizado. La inmersión de las piezas o artículos en el baño de zinc fundido debe ser rápida, mientras que la extracción de las mismas debe ser lenta, con una velocidad de arrastre idealmente por debajo de 1 metro por minuto. La extracción o retiro de es posible, una vez que la turbulencia evidente en la superficie del zinc fundido ha cesado. Donde hay una posibilidad de distorsión o las piezas han de ser recubiertas con el sistema dúplex, las estructuras no deben ser templadas o enfriadas en agua después de la galvanización en caliente. Pueden galvanizarse todas las clases de acero, algunos aceros poco aleados, las fundiciones de hierro y la fundición de acero se deben tener en cuenta los calibres del acero si son muy delgados pueden que se dañen al momento de galvanizarse, para este tipo de casos se pueden hacer unos pliegues en las piezas o soldar varillas o algunos para evitar que se dañen por temperatura. Se debe consultar las medidas de la cuba de galvanizado antes de hacer planos de taller para evitar que el material sea devuelto por sobre dimensionamiento o por peso, también puede ser devuelta por falta de desfogues de la estructura. Las condiciones con las cuales la estructura debe estar fabricada para galvanizar las debe dar la planta galvanizadora ya que el óptimo desarrollo y entrega a tiempo de la estructura depende de no atentar con el procedimiento interno de la planta. 83 La protección efectiva del sistema dúplex es solo posible si la adhesión del revestimiento interno, a largo plazo se obtiene mediante revestimientos de pintura que no reaccionan con el sustrato de zinc. La preparación inadecuada y la limpieza de la superficie de zinc, antes de la aplicación de un sistema de pintura compatible o revestimiento en polvos, es la causa principal de la falla prematura. Para proporcionar una excelente adherencia del recubrimiento con sistema dúplex, la superficie galvanizada debe proporcionar un adecuado perfil de anclaje para la pintura; los métodos más comunes para obtener el perfil de anclaje son: fosfatado, uso de ‘Wash Primer’ uso de pasivadores acrílicos y cepillados suaves con abrasivo, cualquiera que sea el método, es vital no dañar el recubrimiento galvanizado. 84 BIBLIOGRAFÍA ACERAL. Acero estructural de Colombia [en línea]. Bogotá, [citado 05 Mayo, 2015]. Disponible en Internet: <URL http://www.aceral.com.co/galvanizacion.html>. AMERICAN GALVANIZERS ASSOCIATION-AGA [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. Disponible en Internet: <URL: http://latiza.com/archivos_publicar/Revista_latiza.pdf>. ANDI E INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO. Guía práctica de galvanizado por inmersión en caliente [en línea]. Bogotá: La Empresa [citado: 21, feb., 2015]. 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