Implementación de nuevo sistema de recubrimiento de metales para embarcaciones Implementation of new metal coating system for boats Roberto Herrera Acosta1, María Alejandra Lopez2, Dayana Machado Novoa3 M.Sc. Estadística. Docente tiempo completo. Universidad del Atlántico. Barranquilla, Colombia. 2 Ing. Industrial. Estudiante pregrado. Universidad del Atlántico. Barranquilla, Colombia. 3 Ing. Industrial. Estudiante pregrado. Universidad del Atlántico. Barranquilla, Colombia. Email: [email protected] 1 RESUMEN Esta investigación presenta un estudio del comportamiento de dos sistemas de recubrimientos para el metal como método de protección ante la exposición de ambientes corrosivos en las embarcaciones de una empresa dedicada al transporte fluvial en el Rio Magdalena. Al inspeccionar las embarcaciones se evidencio que el estado de los recubrimientos para el tiempo de navegación en el rio no son los adecuados, ya que muestran señales de estados avanzados de corrosión por varios factores como son una mala preparación de la superficie, aplicación de pinturas que no cumplen los estándares de calidad para el área aplicada y su posterior recubrimiento. Por tal motivo, se incrementa la necesidad programar más reparaciones por parte del departamento de pintura, aumentando el gasto del lucro cesante del bote y sus gastos de reparación. La empresa actualmente no realiza trazabilidad a sus sistemas de recubrimientos y en consecuencia desconoce si su plan de durabilidad a 5 años se cumple, además desconoce los gastos que le representan realizar reparaciones de carácter general antes de las programadas, esto por el mal estado que presentan las láminas al momento de la inspección. PALABRAS CLAVES: recubrimiento Navegación fluvial, corrosión atmosférica, trazabilidad, costos, ABSTRACT This research presents a study was made of the behavior of two coating systems for metal as a method of protection against exposure to corrosive environments in the vessels of a company dedicated to river transport in the Magdalena River. When inspecting the vessels, it was evident that the state of the coatings for the time of navigation in the river are not adequate, since they show signs of advanced states of corrosion that are presented by several factors such as poor surface preparation, application of paints that do not meet the quality standards for the area applied and its subsequent coating. For this reason, it is necessary to schedule more repairs by the painting department, increasing the cost of the lost profit of the boat and its repair costs. The company currently does not trace its coating systems and therefore does not know if its 5-year durability plan is met, also does not know the costs of making general repairs before the scheduled, this by the poor condition of the sheets at the time of inspection. KEYWORDS: Fluvial navigation, atmospheric corrosion, traceability, costs, coating 1. INTRODUCCIÓN La corrosión presentada en muchos materiales, en los últimos años, ha tenido mayor atención en todos los sectores industriales de tipo fluvial y marítimo alrededor del mundo, los cuales han encontrado diversos factores como la exposición a medios ambientales agresivos y esfuerzos mecánicos como las principales causas de deterioro de sus estructuras metálicas. Según estudios se ha demostrado que iones de cloruro abundan en atmósferas marinas donde las partículas de agua salada son la fuente básica de mineralización. Al entrar en contacto el metal con el mar y el rio intensifica la corrosión en este. Debido a esta problemática las empresas fluviales deben aplicar sistemas de pintura más eficiente el cual garantice durabilidad de sus activos, ya que el medio ambiente donde se desarrolla el transporte presenta altos niveles de salinidad y las embarcaciones siempre están en contacto con este medio. La longevidad de los materiales puede verse afectados por el ambiente en el que se encuentran y su mayor deterioro como ya antes mencionado es la corrosión, debido a todas estas circunstancias se han desarrollado diversos tipos de ensayos que permiten tener un margen del control de la calidad. 2. TEORIA 2.1 FUNDAMENTACIÓN TEORICA 2.1.1 Sistemas de recubrimientos para metales como protección contra la corrosión. La mayoría de los recubrimientos protegen y también pueden tener funciones específicas como reducción de la fricción, resistencia a la abrasión y muchos otros propósitos específicos. Los recubrimientos pueden ser, pinturas, barnices y lacas que se usan para mantenimiento industrial, y pueden ser aplicados tanto a unidades o equipos móviles como a superficies estacionarias. Las pinturas, desde un punto de vista técnico-económico, constituyen el método más adecuado para la protección de los materiales empleados en la construcción y en la industria. Jiménez, J. A. C (2014) determinan que “los problemas de corrosión indican pérdidas directas, alcanzando aproximadamente al 10% de la producción mundial de acero. Se estima que la producción mundial es de alrededor de 650 millones de toneladas por año, la perdida por concepto de corrosión seria de aproximadamente 65 millones de toneladas de acero. Algunas estimaciones realizadas por el UMIST de la Universidad de Manchester hablan de 1500 millones de libras esterlinas en pérdidas directas por corrosión en Inglaterra” [1] Definir el tipo de pintura y el proceso de aplicación a utilizar dependerá directamente el resultado final que se quiera obtener, bien sea, conseguir un aspecto superficial adecuado, protección frente a la corrosión, agentes químicos, fuego, algas, hongos, etc., o una combinación de ellos. La calidad final del recubrimiento obtenido depende no sólo del material de pintura utilizado sino también del modo de aplicación del mismo, así como de la preparación que haya recibido la superficie a pintar y el método empleado para secar/curar la pintura. El proceso de aplicación de la pintura puede dividirse en tres etapas fundamentales: preparación de la superficie a pintar, aplicación/curado de la pintura y limpieza de los equipos [2]. Internacionalmente existen conceptos para la preparación de superficie de acuerdo a las normas SSPC y NACE. Tabla 1. Normas de preparación de pinturas SSPC y NACE Table 2. SSPC and NACE Paint preparation standards Norma SSPC Norma Significado NACE Sp-1 1 Limpieza con solvente Sp-2 3 Limpieza manual Sp-3 4 Limpieza mecánica Sp-5 2 Limpieza grado metal blanco Sp-6 5 Limpieza grado comercial Sp-7 8 Limpieza grado Ráfaga Sp-8 Limpieza con ácidos Sp-10 Limpieza cercana a metal blanco Sp-11 Limpieza a metal blanco con herramienta mecánica Sp-12 Limpieza con agua a presión Sp-14 Fuente: Propia 2.1.2 Tipos de pinturas Es difícil llegar a clasificar los diferentes tipos de pintura de un modo suficiente, por lo que generalmente se utilizan distintos sistemas en función de propiedades comunes. Un modo muy generalizado de realizar la clasificación es diferenciándolas por el modo de llevar a cabo el secado y endurecimiento después de su aplicación. Se presenta de esta forma, los siguientes grupos: Imprimaciones: Primeras capas de pintura en contacto directo con el Sustrato, fuertemente pigmentadas y con bajos contenidos de ligantes. Su misión es servir de anclaje para las siguientes manos y evitar la oxidación en superficies metálicas por medio de pigmentos anticorrosivos. Pinturas de acabado: son aquellas que se aplican como última capa del sistema, bien sobre la imprimación o sobre la capa intermedia. Se formulan con relación pigmento/ligante baja para conseguir las mejores propiedades de permeabilidad y resistencia Epoxi: Las resinas epoxi forman película a base de reticular por polimerización con aminas o poliamidas, y también por esterificación con ácidos grasos, a temperatura ambiente. Las resinas epoxi se presentan en solución acuosa y las películas de pintura obtenidas son de gran resistencia mecánica y química. Las resinas epoxi, llamadas también epoxídicas o etoxilínicas, se emplean con frecuencia en el campo de la construcción, ya sea como adhesivos, como recubrimientos impermeabilizantes, juntas, pinturas, etc. [3]. Uretano: Las pinturas de poliuretano se usan con mayor frecuencia para proyectos artesanales. El acabado será muy grueso, resistente y brillante, casi como el acabado de un automóvil. También se suelen usar para botes y aplicaciones marinas. La característica más valiosa de las pinturas de poliuretano, aparte de un acabado sin fallos y brillantes, es la resistencia al agua y los químicos, incluyendo la gasolina. Es alto en contenidos sólidos, lo que lo hace de secado lento, pero crea una película gruesa y duradera. 2.1.3 Ensayos de corrosión acelerada para recubrimientos: Prueba de Cámara niebla Salina: Paneles metálicos desnudos o bien protegidos con un sistema de pinturas se somete a la acción de una solución atomizada de cloruro de sodio en condiciones de concentración y temperatura definidas. Esta cámara se emplea para el ensayo de revestimientos anticorrosivos y reproduce las condiciones de un medio marino [4] [5]. Prueba UV: Consiste en una cámara con lámparas UV fluorescentes para reproducir los efectos dañinos de la luz solar. Aunque la luz ultravioleta constituye solo alrededor del 5% de la luz solar. Es responsable de gran parte del daño que la luz solar causa a las muestras expuestos a la intemperie. Prueba de Adherencia: El ensayo de adherencia en la industria de la pintura y recubrimiento es necesario para asegurar que la pintura o el recubrimiento se adhiere adecuadamente a los substratos sobre los que se aplican. Después del proceso de aplicación del revestimiento, indica la fuerza de la unión entre el substrato y el revestimiento, o entre diferentes capas, o la fuerza de cohesión de los materiales. Realizar el correcto seguimiento de la adherencia después de ser sometidos a diferentes exposiciones medioambientales, permiten determinar si los recubrimientos son los adecuados. La prueba se realiza bajo los parámetros exigidos por las normas NTC 3916 “Método de ensayo para la resistencia de recubrimientos, utilizando probadores portátiles de adherencia [6]” y ASTM D4541 “Standard Test Method for Pull-Off Strength of Coatings Using Portable Adhesión Testers [7]”. Las normas Definen que la adherencia en sistemas epoxicos y uretanos deberá ser superior a 400 psi 2.1.4 Análisis para determinar el recubrimiento adecuado Análisis Factorial: Es una herramienta fundamental que simplifica los datos arrojados por una matriz de correlación la cual resulta más fácil al momento de interpretarla. El análisis factorial está comprendido por cuatro etapas: el cálculo de una matriz capaz de expresar la variabilidad conjunta de todas las variables que componen el estudio, la extracción del numero óptimo de factores, la rotación de la solución para facilitar su interpretación y la estimación de las puntuaciones de los sujetos en las nuevas dimensiones [8] [9]. Anova: También conocido como Análisis de varianza, es una técnica de inferencia estadística que sirve para determinar si más de dos muestras de registro, provienen de poblaciones independientes con promedios poblacionales iguales; en otras palabras lo que se desea probar es lo siguiente: 𝐻0 : 𝜇1 = 𝜇2 = ⋯ = 𝜇1 𝐻1 : 𝜇𝑖 ≠ 𝜇𝑗 Para probar estas hipótesis se especifica un nivel de significancia, el cual permite determinar si el resultado de un estudio se puede considerar estadísticamente significativo después de realizar las pruebas. El nivel de significancia se puede establecer en un 0,05, aunque se pueden utilizar otros niveles en función del estudio. [10] [11] [12]. 3. METODOLOGIA La exposición de las embarcaciones a niveles de salinidad mayores al 50% y temperaturas por encima de los 30°C, en las regiones donde realiza el transporte, requiere la protección con recubrimientos adecuados para evitar su deterioro acelerado. Para esto se desarrolló la investigación en 2017 en la empresa de transporte fluvial con desarrollo en las ciudades de Cartagena, Barranquilla y Barrancabermeja .Se realizaron diferentes pruebas de control de calidad experimentales que corresponden a ensayos los cuales nos permiten evaluar el tipo de recubrimiento (Uretano – epóxico) si cumplen con las características físicas químicas y con ellos mantenerlos mayor tiempo en óptimas condiciones. Al considerar el tipo de recubrimiento, gastos y realizando un análisis comparativo de sus propiedades. Las operaciones de análisis realizadas son las siguientes: - Analizar por medio de ensayos acelerados en cámara salinas, cámara de lluvia acida, y cámara de UV el comportamiento anticorrosivo de dos tipos de recubrimientos uretanos y epoxicos, aplicados en lámina de acero naval. - Identificar a través de análisis de varianza por medio del programa statgraphics si existen diferencias de espesor y adherencia significativas en los distintos sistemas de pintura evaluados mediante pruebas de laboratorio. -Evaluar los sistemas de recubrimientos epoxicos y uretanos. Comparando los costos generados con los beneficios asociados para su implementación. 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se realizan pruebas experimentales en el laboratorio de análisis de recubrimientos ubicados en la vereda Canavita de Tocancipa, Departamento de Cundinamarca, donde las probetas son expuestas a diferentes condiciones climáticas. Las probetas para este estudio se fabrican en las instalaciones del astillero de naviera fluvial colombiana, correspondiendo a las dimensiones y material utilizados para cada ensayo. Tabla 3. Clasificación final de los sistemas Table 4. Final classification of the systems Ensayo Sistema Tipo de sistema acelerado Sistema 1 – Limpieza Manual - Base Epóxica Roja y S1M-RH acabado epóxica Hempadur Negro Cámara UV Sistema 2 – Limpieza Manual - Base Epóxica Roja y S2M-RP acabado epóxica Sikapermacor Negro Sistema 3 – Limpieza Sandblasting - S3S-RU Base Epóxica Roja y acabado Uretano Negro Sistema 4 – Limpieza SandBlasting - Base Epóxica S4S-RH Cámara Salinas Roja y acabado epóxica Hempadur Negro Cámara Lluvia acida Sistema 5 – Limpieza SandBlasting - Base Epóxica S5S-RP Roja y acabado epóxica Sikapermacor Negro Fuente: Propia 4.1 Pruebas de laboratorio: Cámara UV, Lluvia Acida y Salina Se realizaron pruebas de adherencia y espesores secos que aseguran si los sistemas conservan sus propiedades físicas químicas que permitan su buen funcionamiento protector de los metales. La prueba de adherencia se realiza bajo los parámetros exigidos por las normas NTC 3916 “Método de ensayo para la resistencia de recubrimientos, utilizando probadores portátiles de adherencia” y ASTM D4541 “Standard Test Method for Pull-Off Strength of Coatings Using Portable Adhesión Testers” las normas definen que la adherencia en sistemas epóxicos y uretanos deberá ser superior a 400 psi. Se evaluó el estado de las probetas después de 400 horas de exposición en la cámaras de lluvia acida y cámara salina , para el caso de la cámara UV son expuestas a 168 horas en cámara, con ciclos de 4 horas de radiación UV con una bombilla de 340 nanometers y 4 horas de agua condensada a 60 °C . Tabla 5. Espesores secos inicial- final cámara lluvia acida Table 6. Dry thicknesses initial- final chamber rain acid Sistemas Lamina vieja CY Lamina nueva CY Δ Δ S1M-RH 13,67 5,02 8,65 13,11 5,62 S2M-RP 14,29 7,56 6,73 12,91 6,93 5,98 S3S-RU 10,95 4,34 6,61 9,89 5,86 4,03 S4S-RH 12,21 7,15 5,06 12,00 8,03 3,97 S5S-RP 10,53 7,88 2,65 14,54 8,45 6,09 7,49 Fuente: Propia Tabla 7. Prueba de adherencia inicial-final cámara lluvia acida Table 8. Initial adhesion test - final acid rain chamber. Sistemas Lamina vieja Lamina nueva Δ Δ S1M-RH 1050 650 400 1650 1000 650 S2M-RP 1200 1100 100 1700 1000 700 S3S-RU 900 1000 100 1200 1300 100 S4S-RH 1200 1350 150 1200 1200 0 S5S-RP 1400 1300 100 1150 1100 50 Fuente: Propia En las tablas 3 y 4 se evaluaron comportamiento de los sistemas en cámara de lluvia acida se deduce que los procesos de limpieza manual y mecánica utilizados para las probetas S1M-RH y S2M-RP resultaron un factor determinante para el comportamiento deficiente durante la evaluación de las pruebas, presentado valores muy bajos en adherencia y espesor , lo cual no lo hace recomendable para procesos que presenten estas condiciones atmosféricas .Los sistemas epóxicos no sufrieron cambios drásticos de espesor y adherencia, manteniendo sus condiciones iniciales, son recubrimientos recomendados para ser sometidos a este tipo de factores ambientales. Se observa un buen comportamiento para los sistemas en las pruebas finales de espesores secos y adherencia en cámara salina analizándolos bajo las normas ASTM D714-02 y bajo la norma ASTM B117 y ASTM D610 se resalta el rendimiento de los epóxicos los cuales tuvieron pérdidas poco significativas manteniendo sus condiciones iniciales. El sistema S5S-RP por tener un proceso de limpieza tipo sandblasting y un sistema de epóxico con buenos rendimientos se presenta como el sistema con el mejor comportamiento en la prueba. [13]. En la cámara UV Se evidencio fuertes variaciones en cada una de las variables, como podemos observar en la Figura 1 a partir del primer stop de seguimiento a las 24 horas los sistemas S2M-RP, S4S-RH y S5S-RP presentan desviaciones porcentuales de color en las variables b y a, teniendo en cuenta el Δ5 como base para deducir que sistemas pasan la prueba o no, podemos concluir que solo el sistema 3 S3S-RU es apto para trabajar bajo fuertes condiciones de rayos UV. Figura 1. Seguimiento estacionario a factor L: brillo en cámara UV Figure 1. Stationary tracking to factor L: brightness in UV chamber Medidas porcentuales Prueba de brillo - Camara UV 60 50 40 30 20 10 0 to t1(24h) t2(48h) t3(72h) t4(96h) t5(168h) Tiempo S2M-RP S3S-RU S4S-RH Fuente: Propia S5S-RP 4.2 Análisis Estadístico Figura 1 .Gráfico de caja y bigotes. Figure 2 . Graph of box and whiskers. Gráfico Caja y Bigotes 12,3 Espesor 10,3 8,3 6,3 4,3 1 2 3 Sistemas 4 5 Fuente: Statgrapics En la Figura 2, se observa una alta dispersión en el sistema 1 y sistema 5 el cual está proporcionando la mayor diferencia ya que representa los espesores más altos, caso contrario ocurre en el sistema 4, cuyos datos muestran una menor variabilidad con respecto a la media. Por otra parte se observa que el cincuenta por ciento de la información del sistema 5 es mayor a los demás sistemas. Tabla 9. Análisis de varianza para espesor Table 5. Analysis of variance thickness Fuente Suma de Gl Cuadrado Medio Razón-F Valor-P Cuadrados EFECTOS PRINCIPALES A:Sistemas 23,631 4 5,90774 3,32 0,1361 B:Tipo de Lamina 1,42578 1 1,42578 0,80 0,4215 C:Tipo de Cámara 10,0253 1 10,0253 5,63 0,0766 AB 7,50937 4 1,87734 1,05 0,4802 AC 5,25597 4 1,31399 0,74 0,6123 BC 0,01458 1 0,01458 0,01 0,9323 RESIDUOS 7,12357 4 1,78089 TOTAL 54,9855 19 INTERACCIONES (CORREGIDO) Fuente: Statgrapics Siguiendo la Tabla 9, se observa con un nivel de significancia del 95% que ninguno de los datos arrojados por el Valor-P son estadísticamente significativos para el espesor. El espesor no determina cuál de los sistemas es el más óptimo a utilizar, se puede deducir que aunque ninguno de los factores es significativo ya que todos tienen un porcentaje por encima de 0,05 para espesores se observa que las variables A y C son los que tienen mayor incidencia en este. Tabla 10. Análisis de Varianza para Adherencia Table 11. Analysis of variance thickness Suma de Cuadrados Gl Cuadrado Medio Razón-F Valor-P A:Sistemas 254250, 4 63562,5 3,25 0,1401 B:Tipo de Lamina 50000,0 1 50000,0 2,56 0,1851 C:Tipo de Cámara 24500,0 1 24500,0 1,25 0,3258 AB 466250, 4 116563, 5,96 0,0560 AC 534250, 4 133563, 6,83 0,0448 BC 18000,0 1 18000,0 0,92 0,3918 RESIDUOS 78250,0 4 19562,5 TOTAL (CORREGIDO) 1,4255E6 19 Fuente EFECTOS PRINCIPALES INTERACCIONES Fuente: Statgrapics Caso contrario ocurre con la Tabla 10, donde se evidencia que la interacción AC con un nivel de significancia del 95% es estadísticamente significativa para la adherencia donde se aprecia que su Valor-P es 0,0448, el cual está por debajo de lo esperado. El comportamiento de los sistemas dados las características físico-químicas en cada de una de las cámaras estos se comportan diferente en cada uno de los sistemas o cámaras es completamente diferente, lo cual genera una desviación y dispersión en los datos al momento de analizarlos estadísticamente. 4.3 Análisis Costo-Beneficio. Tabla 7. Análisis costo beneficio – periodo de recuperación Table 7. Cost benefit analysis - recovery period Análisis costo beneficio: período de recuperación Año X 0 1 2 3 4 5 6 7 A1 13 13 13 13 13 13 13 13 A2 19 19 19 19 19 19 19 19 $ $ $ 594.154.046 594.154.046 594.154.046 $ 594.154.046 $ 594.154.046 $ 594.154.046 $ 594.154.046 $ 594.154.046 P1 13 13 13 0 0 0 0 0 P2 19 19 1 0 0 0 0 0 $ $ $ $ $ - - - - - $ $ $ $ $ Actual A3 TOTAL: Propuesto P3 $ 755.953.339,96 $ 755.953.339,96 $ 319.284.640,48 $ 1.831.191.320 V1 $ 755.953.339,96 $ 705.838.786,14 $ 278.355.037,42 - - - - - $ 1.740.147.164 C1 -$ 161.799.294,16 -$ 161.799.294,16 $ 274.869.405,32 $ 594.154.046 $ 594.154.046 $ 594.154.046 $ 594.154.046 $ 594.154.046 $ 2.922.041.046 V2 -$ 161.799.294,16 -$ 151.073.103,79 $ 239.633.461,51 $ 483.649.392 $ 451.586.734 $ 421.649.612 $ 393.697.116 $ 367.597.681 $ 2.044.941.598 Fuente: Propia Tabla 8. Variables de análisis costo-Beneficio Table 8. Variables of cost-benefit analysis Variable de costo Valor Calculo tasa de inflación 3,10% a septiembre 2018 Nivel de riesgo del proyecto 4,00% Bajo (entre 3% y 6%) TMAR 7,10% (Riesgo + Inflación) Retorno sobre la inversión 1,18% (Ttotal V2 / Total V1) > 1 Fuente: Propia Mediante un estudio de Costo beneficio se pudo comprobar que la pintura Poliuretano ($ 23.476.811,80) es más costosa que la pintura Epoxica ($ 18.451.989,20), pero analizando sus propiedades se comprobó que la pintura Poliuretano tiene una vida útil aproximadamente de 7 años. Donde se evidencio que El ahorro en costos se empieza al tercer año de implementar los sistemas y pinturas propuestos y durante el horizonte de tiempo analizado se ahorrar $ 2.922.041.046 que traídos a dinero en el presente se convierten en $ 2.044.941.598 Generando un retorno de la inversión a 7 años, en el cual se genera un beneficio de $1.18 por cada $1 invertido, esto es lo que indica el resultado de dividir los ahorros generados sobre los costos de la inversión durante ese período de tiempo. [14][15]. 5. CONCLUSIONES A lo largo de este artículo se ha expuesto la importancia que tiene el tipo de pintura que se utiliza en barcazas y su método de aplicación, así como los diferentes tipos de pintura que existen. Esto se realizó mediante el estudio aplicado a la corrosión y ver cómo afecta a los botes cuya infraestructura es de metal. Por lo cual entenderemos que el medio donde se rodea es altamente corrosivo afectando la navegabilidad evitando que este funcione como es debido. La corrosión puede ocasionar roturas de las láminas, daños en la infraestructura ocasionando accidentes, contaminación, daños en la carga, entre otras. Todos estos métodos se implementaron mediante estudios realizados por la empresa, como por ejemplo el ANOVA, donde se determinó un nivel de significancia del 0.05 donde se pudo determinar que no se presentaron variaciones en los diferentes sistemas por ende ninguno de las interacciones son estadísticamente significativos para la empresa. En ellos, se da a conocer cuál es el tipo de pintura y cuál es el sistema más adecuado que debe llevarse a cabo y como debe prepararse la superficie a tratar. Se resalta la importancia que tiene la pintura en las embarcaciones, por medio de ellas se garantiza que los botes navegaran de forma eficiente y sobre todo dar una respuesta al cliente con un servicio de buena calidad. 6. REFERENCIAS [1] [2] [3] Castellanos, L. M., Jiménez, J. A. C., & Márquez, J. S. H. 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