Ánodo galvánico

Vista detallada de un ánodo galvánico en el casco de un barco

Los objetos rectangulares brillantes en estos componentes son ánodos galvánicos.

Un ánodo galvánico, o ánodo de sacrificio, es el componente principal de un sistema de protección catódica galvánica que se utiliza para proteger estructuras metálicas enterradas o sumergidas contra la corrosión.

Están hechos de una aleación de metal con un aspecto más "activo" voltaje (más potencial de reducción negativo / más potencial de electrodo positivo) que el metal de la estructura. La diferencia de potencial entre los dos metales significa que el ánodo galvánico se corroe y, de hecho, se "sacrifica" para proteger la estructura.

Teoría

En resumen, la corrosión es una reacción química que ocurre por un mecanismo electroquímico (una reacción redox). Durante la corrosión del hierro o el acero hay dos reacciones, oxidación (ecuación 1), en la que los electrones abandonan el metal (y el metal se disuelve, es decir, se produce una pérdida real del metal) y reducción, en la que se utilizan los electrones. para convertir oxígeno y agua en iones de hidróxido (ecuación 2):

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En la mayoría de los ambientes, los iones de hidróxido y los iones ferrosos se combinan para formar hidróxido ferroso, que eventualmente se convierte en el familiar óxido marrón:

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()3)

A medida que se produce la corrosión, se producen reacciones de oxidación y reducción y se forman celdas electroquímicas en la superficie del metal, de modo que algunas áreas se volverán anódicas (oxidación) y otras catódicas (reducción). Los electrones fluyen desde las áreas anódicas hacia el electrolito a medida que el metal se corroe. Por el contrario, a medida que los electrones fluyen desde el electrolito hacia las áreas catódicas, la velocidad de corrosión se reduce. (El flujo de electrones está en dirección opuesta al flujo de corriente eléctrica).

A medida que el metal continúa corroyéndose, los potenciales locales en la superficie del metal cambiarán y las áreas anódica y catódica cambiarán y se moverán. Como resultado, en los metales ferrosos, se forma una capa general de óxido sobre toda la superficie, que eventualmente consumirá todo el metal. Esta es más bien una visión simplificada del proceso de corrosión, porque puede ocurrir en varias formas diferentes.

La prevención de la corrosión por protección catódica (CP) funciona introduciendo otro metal (el ánodo galvánico) con una superficie mucho más anódica, de forma que toda la corriente fluirá desde el ánodo introducido y el metal a proteger se vuelve catódico en comparación al ánodo. Esto detiene efectivamente las reacciones de oxidación en la superficie del metal transfiriéndolas al ánodo galvánico, que será sacrificado a favor de la estructura bajo protección. En pocas palabras, esto aprovecha la estabilidad relativamente baja de los metales magnesio, aluminio o zinc; se disuelven en lugar del hierro porque su unión es más débil en comparación con el hierro, que está fuertemente unido a través de sus orbitales d parcialmente llenos.

Para que esta protección funcione, debe haber una ruta de electrones entre el ánodo y el metal a proteger (p. ej., un cable o contacto directo) y una ruta de iones entre el agente oxidante (p. ej., oxígeno y agua o tierra húmeda).) y el ánodo, y el oxidante y el metal a proteger, formando así un circuito cerrado; por lo tanto, el simple hecho de atornillar una pieza de metal activo, como el zinc, a un metal menos activo, como el acero dulce, en el aire (un mal conductor iónico) no brindará ninguna protección.

Materiales del ánodo

Una barcaza de canal de gran haz de acero, mostrando un casco recién ennegrecido y nuevos ánodos de magnesio.

Hay tres metales principales que se utilizan como ánodos galvánicos: magnesio, aluminio y zinc. Todos ellos están disponibles en forma de bloques, varillas, placas o cintas extruidas. Cada material tiene ventajas y desventajas.

El magnesio tiene el electropotencial más negativo de los tres (ver serie galvánica) y es más adecuado para áreas donde la resistividad del electrolito (suelo o agua) es más alta. Suele tratarse de tuberías en tierra y otras estructuras enterradas, aunque también se utiliza en embarcaciones de agua dulce y en calentadores de agua. En algunos casos, el potencial negativo del magnesio puede ser una desventaja: si el potencial del metal protegido se vuelve demasiado negativo, la reducción de agua o protones solvatados puede generar átomos de hidrógeno en la superficie del cátodo, por ejemplo, de acuerdo con

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()4)

que conduce a la fragilización por hidrógeno o al desprendimiento del recubrimiento. Cuando esto sea una preocupación, se pueden usar ánodos de zinc. Una aleación de aluminio, zinc y estaño llamada KA90 se usa comúnmente en aplicaciones marinas y de calentadores de agua.

El zinc y el aluminio se usan generalmente en agua salada, donde la resistividad es generalmente más baja y el magnesio se disuelve relativamente rápido por reacción con el agua con desprendimiento de hidrógeno (autocorrosión). Los usos típicos son para cascos de barcos y botes, tuberías en alta mar y plataformas de producción, en motores marinos enfriados por agua salada, en hélices y timones de botes pequeños, y para la superficie interna de tanques de almacenamiento.

El zinc se considera un material confiable, pero no es adecuado para su uso a temperaturas más altas, ya que tiende a pasivarse (la capa de óxido formada protege de una mayor oxidación); si esto sucede, la corriente puede dejar de fluir y el ánodo deja de funcionar. El zinc tiene un voltaje de activación relativamente bajo, lo que significa que en suelos o agua de mayor resistividad es posible que no pueda proporcionar suficiente corriente. Sin embargo, en algunas circunstancias, donde existe el riesgo de fragilización por hidrógeno, por ejemplo, este voltaje más bajo es ventajoso, ya que se evita la sobreprotección.

Los ánodos de aluminio tienen varias ventajas, como un peso más ligero y una capacidad mucho mayor que el zinc. Sin embargo, su comportamiento electroquímico no se considera tan confiable como el zinc, y se debe tener mayor cuidado en su uso. Los ánodos de aluminio se pasivarán cuando la concentración de cloruro sea inferior a 1446 partes por millón.

Una desventaja del aluminio es que si golpea una superficie oxidada, se puede generar una gran chispa de termita, por lo que su uso está restringido en tanques donde puede haber atmósferas explosivas y existe riesgo de caída del ánodo.

Dado que el funcionamiento de un ánodo galvánico se basa en la diferencia de electropotencial entre el ánodo y el cátodo, prácticamente cualquier metal puede utilizarse para proteger a otro, siempre que exista una diferencia de potencial suficiente. Por ejemplo, los ánodos de hierro se pueden usar para proteger el cobre.

Consideraciones de diseño

Ánodo galvánico en un submarino. Es la raya de luz en el casquillo cerca de los planos de cola.

El diseño de un sistema CP de ánodo galvánico debe considerar muchos factores, incluido el tipo de estructura, la resistividad del electrolito (suelo o agua) en el que operará, el tipo de recubrimiento y la vida útil.

El cálculo principal es cuánto material de ánodo se requerirá para proteger la estructura durante el tiempo requerido. Muy poco material puede brindar protección por un tiempo, pero debe reemplazarse regularmente. Demasiado material proporcionaría protección a un costo innecesario. La masa en kg viene dada por la ecuación (5).

Mass = (Current obligatorio x vida de diseño x 8760) ÷ (factor de utilización x capacidad de nodo)

()5)

• La vida del diseño es en años (1 año = 8760 horas).
• El factor de utilización (UF) del unnodo es un valor constante, dependiendo de la forma del unnodo y de cómo se adjunta, lo que significa cuánto del unnodo puede consumirse antes de dejar de ser eficaz. Un valor de 0.8 indica que el 80% del ánodo puede consumirse, antes de ser reemplazado. Un anodo largo delgado (instalado en las piernas para mantener el ánodo lejos de la estructura) tiene un valor UF de 0.9, mientras que la UF de un ánodo corto, montado en el flujo es 0.8.
• La capacidad de anidación es una indicación de cuánto material se consume como flujos actuales con el tiempo. El valor para el zinc en el agua de mar es de 780 Ah/kg pero el aluminio es 2000 Ah/kg, lo que refleja la masa atómica inferior del aluminio y significa que, en teoría, el aluminio puede producir mucho más corriente por peso que el zinc antes de ser agotado y éste es uno de los factores a considerar al elegir un material particular.

La cantidad de corriente requerida corresponde directamente al área superficial del metal expuesta al suelo o al agua, por lo que la aplicación de un recubrimiento reduce drásticamente la masa de material anódico requerida. Cuanto mejor sea el recubrimiento, menos material de ánodo se necesita.

Una vez que se conoce la masa de material requerida, se elige el tipo particular de ánodo. Los ánodos de diferentes formas tendrán una resistencia diferente a tierra, lo que determina la cantidad de corriente que se puede producir, por lo que la resistencia del ánodo se calcula para garantizar que haya suficiente corriente disponible. Si la resistencia del ánodo es demasiado alta, se elige un ánodo de forma o tamaño diferente, o se debe usar una mayor cantidad de ánodos.

Luego se planifica la disposición de los ánodos para proporcionar una distribución uniforme de la corriente en toda la estructura. Por ejemplo, si un diseño particular muestra que una tubería de 10 kilómetros (6,2 millas) de largo necesita 10 ánodos, entonces aproximadamente un ánodo por kilómetro sería más efectivo que colocar los 10 ánodos en un extremo o en el centro.

Ventajas y desventajas

Ventajas

• No se necesitan fuentes de energía externas.
• Relativamente fácil de instalar.
• Tendencias inferiores y corriente significan que el riesgo de causar interferencia de corriente perdida en otras estructuras es bajo.
• Requiere un monitoreo menos frecuente que los sistemas CP actuales impresionados.
• Un riesgo relativamente bajo de sobreprotección.
• Una vez instalado, probar los componentes del sistema es relativamente sencillo para el personal capacitado.

Desventajas

• Capacidad actual limitada por masa de ánodo y autoconsumo a baja densidad de corriente.
• Tensión de conducción inferior significa que los ánodos pueden no funcionar en entornos de alta resistencia.
• A menudo requiere que la estructura protegida sea aislada eléctricamente de otras estructuras y terreno.
• Los ánodos son pesados y aumentarán la resistencia al agua en estructuras móviles o interiores de tuberías.
• Donde la energía D.C. está disponible, la energía eléctrica puede obtenerse más barato que por los ánodos galvánicos.
• Cuando se utilizan grandes arrays, se necesita cableado debido a la alta corriente de flujo y la necesidad de mantener bajas pérdidas de resistencia.
• Los ánodos deben ser cuidadosamente colocados para evitar interferir con el flujo de agua en la hélice.
• Para mantener la eficacia, los ánodos deben ser inspeccionados y/o reemplazados como parte del mantenimiento normal.

Relación de costes

Un ánodo galvánico (nodo de sacrificio) en el eje de hélice de un yate

Como los materiales del ánodo que se utilizan son generalmente más costosos que el hierro, el uso de este método para proteger las estructuras de metal ferroso puede no parecer particularmente rentable. Sin embargo, también se deben considerar los costos incurridos para reparar un casco corroído o reemplazar una tubería o tanque de acero porque su integridad estructural se ha visto comprometida por la corrosión.

Sin embargo, existe un límite para la rentabilidad de un sistema galvánico. En estructuras más grandes, como tuberías largas, se pueden necesitar tantos ánodos que sería más rentable instalar protección catódica de corriente impresa.

Producción de ánodos de sacrificio

El método básico consiste en producir ánodos de sacrificio a través de un proceso de fundición. Sin embargo, se pueden distinguir dos métodos de fundición.

El proceso de fundición a presión a alta presión para ánodos de sacrificio está muy extendido. Es un proceso de máquina totalmente automatizado. Para que el proceso de fabricación funcione de manera confiable y repetible, se requiere una modificación de la aleación del ánodo de sacrificio procesada. Alternativamente, el proceso de fundición por gravedad se utiliza para la producción de ánodos de sacrificio. Este proceso se realiza de forma manual o parcialmente automatizada. La aleación no tiene que adaptarse al proceso de fabricación, sino que está diseñada para una protección anticorrosiva óptima al 100 %.