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METALES
5 de Diciembre de 2013

La implacable corrosión

En la búsqueda del preciado oro negro, las empresas dedicadas a la extracción, distribución, transporte y almacenaje, deben hacer frente a los efectos nocivos de la corrosión

Fuente: www.argenmetal.com
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El hombre en su anhelo de prosperidad, buscó distintas formas de hacerse de nuevas tecnologías. Sin dudas, la forma de obtener metales a partir de los minerales que los contienen, llevó a una profunda transformación: económica, política y social en cuanto a la forma de fabricar herramientas, utensilios y armas entre otros bienes.

Ahora bien, la manera de conseguir distintos metales puros va a la «inversa» del modo natural de combinación de estos con otros componentes, teniendo este proceso un desarrolló de millones de años. En consecuencia, exponer esos metales denominados puros tiene un alto precio, porque al estar en contacto a una atmósfera con un muy alto contenido de oxígeno, agua y sales que hacen padecer de un daño irreversible estando en condiciones ambientales normales. Este fenómeno se  denominada: corrosión.


Sin dudas aunque este término es mundialmente conocido, igualmente, antes de profundizar en el tema es necesario preguntarse: ¿Qué es la corrosión?  Podemos definirla como el deterioro que sufre un material como consecuencia de un ataque electroquímico de su entorno. Los más afectados por este fenómeno son los metales, en gran medida como consecuencia de la oxidación a cualquier temperatura y en cualquier tipo de ambientes tales como el agua dulce, el agua de mar, la atmósfera, el suelo y hasta por el contacto entre metales diferentes. Particularmente el rango de corrosión en el suelo (denominada corrosión telúrica) depende de factores tales como el tipo y cantidad de sales disueltas en el mismo y del pH[1] del agua contenida.


En la vida cotidiana, ya sea, por ejemplo, en muchos productos de uso «doméstico», principalmente de limpieza, observamos la autodenominación «neutro» poseyendo un pH de 5,5. Esto, que asemeja una curiosidad, no es tan así porque, como se sabe, el pH de la piel humana es 5,5. Si estos productos tuvieran un pH mayor podrían ser, aunque no necesariamente en todos los casos, agresivos en el contacto cutáneo asiduo o permanente.

No debemos olvidar que el agua de mar tiene pH 8 y no afecta a la piel ya que su contacto con la misma suele ser circunstancial o esporádico.

Retomando el tema de nuestra bajada, donde afirmamos que todos los tipos de ambiente, líquidos, sólidos o gaseosos poseen algún grado de capacidad corrosiva, vamos a encarar el análisis de la acción que ejerce sobre los metales el petróleo por ser el «comodity» de mayor producción en el planeta.

La consecuencia de la corrosión que produce el petróleo, en sus diferentes tipos, sobre las instalaciones y equipos que lo manejan desde su extracción, bombeo, conducción, refinación y transporte, es un problema industrial más que importante por el elevado costo que significa.

Tanto es así que de todas las fallas que se producen durante su industrialización (incluyendo hasta los defectos de soldadura generados en toda la extensión de oleoductos y gasoductos), las producidas por la corrosión representan más que la tercera parte del costo de producción del mismo y sus derivados.

Por esta razón nos ocuparemos del tipo de corrosión más perjudicial como es la corrosión electroquímica y como enunciamos al comienzo, nos ocuparemos de la descripción y selección también de los materiales metálicos que se encuentran en contacto con el fluido en cuestión.

El petróleo crudo extraído de los yacimientos contiene por regla general dióxido de carbono (CO2) y ácido sulfídrico (H2S). Estos compuestos junto a la omnipresente fase acuosa que los acompañan dan lugar a un alto potencial de corrosión.

En las extensas tuberías de transporte, la presencia de agua es el factor desencadenante de los daños por corrosión. No obstante no nos detendremos a tratar este problema y los métodos o prácticas para corregirlo ya que el objetivo de este trabajo es analizar el comportamiento de los metales y aleaciones utilizados para fabricar equipos y máquinas involucrados en esta industria.

Lo que provoca este fenómeno de corrosión es un flujo eléctrico masivo generado por las diferencias químicas entre las piezas involucradas y el fluido en contacto con las mismas. Una corriente de electrones se establece cuando existe una diferencia de potencial entre unas y otro. Cuando desde una especie química se ceden electrones a otra especie, se define que la especie que los emite se comporta como un ánodo y en él se verifica la oxidación (la pérdida de electrones es lo que llamamos oxidación), y aquella que los recibe se comporta como cátodo y en ella se verifica la reducción (la ganancia de electrones es lo que llamamos reducción). Para que esto ocurra, entre las especies debe existir un diferente potencial electroquímico, el que en términos vulgares es la medida de la energía requerida a un elemento químico para retener o desprenderse de un electrón. Entre ambas especies se forma un «par electroquímico» y a cada una de ellas se la denomina «semipar electroquímico».  Cada semipar está asociado a un «potencial de reducción» que se define como la tendencia de las especies químicas involucradas en una reacción oxidación – reducción  (REDOX) a adquirir electrones. En aquel metal o especie química que muestre un potencial de reducción más grande o más positivo existirá una reducción (ganará electrones) y viceversa, en aquel que exhiba un potencial de reducción más pequeño o más negativo existirá una oxidación (perderá electrones).   

Para que haya corrosión electroquímica, además de las dos especies (ánodo y cátodo) debe haber un vehículo llamado electrolito (generalmente agua o un medio acuoso). Por esta razón también se la suele llamar corrosión húmeda, aunque la función de electrolito también la puede cumplir un sólido conductor o el simple contacto entre dos metales de diferente potencial electroquímico.

Los  metales en general (salvo raras excepciones de los llamados metales nobles como el oro, el platino, el iridio, etc.) están presentes en el planeta en forma de óxidos. Toda la metalurgia extractiva consiste en reducir los óxidos utilizando métodos térmicos, químicos o electrolíticos para obtener metales puros. Paradójicamente la corrosión es el regreso del metal a su estado natural, el óxido.

No todos los metales o sus aleaciones responden de la misma forma al ataque de la corrosión u oxidación. Veamos cómo se han ido encontrando diferentes metales con los que se fue mejorando su duración frente a este fenómeno de la corrosión. Sin duda, lo primero que se debe tener en cuenta al diseñar una estructura o máquina es que se encuentre capacitada para soportar los esfuerzos a que se verá sometida, (ya sean estáticos, dinámicos, de rozamiento, de fatiga, de corrosión, etc.) y por lo tanto, elegir el material (metal en nuestro análisis) que permita adoptar la más prolongada duración en servicio con el propósito de obtener el menor costo operativo. Esto representa un desafío técnico nada simple puesto que los distintos metales responden en forma diferente a la citada variedad de solicitaciones.

Si usamos (como se ha hecho) aceros comunes no aleados, de bajo costo intrínseco y buena resistencia mecánica, notaremos que su vida útil frente a la corrosión es tan baja que obliga a reposiciones frecuentes o al uso de protecciones superficiales que elevan su costo por sobre el de algunos metales menos resistentes a esfuerzos mecánicos pero mucho más a los originados o combinados con la corrosión.

Si admitimos, tal como lo expresan las estadísticas, que la corrosión en la industria petrolera es el factor que genera el costo más alto de todos aquellos que la componen, pareciera que lo fundamental sería escoger un material que no se corroyera en el ambiente considerado. Obviamente no elegiríamos un material totalmente inmune a la corrosión (cerámicas por ejemplo) pero de tan alta fragilidad  que lo hiciera inviable. El caso es, simplemente, una cuestión de equilibrio que nos conduzca a obtener piezas del menor costo atendiendo juntas a todas las variables que las afectan.

El problema de la corrosión excede ampliamente al sector petrolero, ya que a nivel mundial más del 20%   de la producción de acero se pierde por este fenómeno.  Sin embargo, el problema es mucho  más complejo porque además del perjuicio  meramente económico,  está el social.  La pérdida de vidas humanas es  una posibilidad que está presente en incidentes relacionados con fallas de instalaciones y equipos a causa de la corrosión.

Descartados los aceros comunes abordamos a los aceros inoxidables con distintos porcentajes combinados de cromo y níquel, como por ejemplo el «410» con 20% de Cr. Y 1% de Ni, o el «304» con 18% de Cr. y 8% de Ni  o el «316» con 18% de Cr. y 10% de Ni o el «310» con 25% de Cr. y 20% de Ni con o sin tratamientos térmicos según le corresponde a cada uno de ellos.

Algunos de estos aceros son «bastante» eficientes, decimos solo bastante, porque, como cabe recordar: no existen metales (salvo los nobles) absolutamente inmunes a la corrosión. Y estos tampoco lo son bajo justamente ciertas circunstancias muy comunes en el tratamiento del petróleo como son la corrosión bajo tensión y la producida por el fenómeno de cavitación. Si además consideramos que son de un costo mucho mayor que otros metales posibles de utilizar comprobaremos la razón por la cual casi no son tenidos en cuenta o lo son para casos muy excepcionales.

Podríamos considerar, dentro de las aleaciones no ferrosas, los cuproníqueles, pero dado que su costo es aún mayor que el de los aceros inoxidables, no los proponemos como viable.

Otras posibles aleaciones no ferrosas son los latones de alta resistencia mecánica y de un costo intrínseco menor que el de los aceros inoxidables, pero de un pobre comportamiento a la corrosión bajo tensión, a la cavitación y al rozamiento producido por el medio líquido con sus micropartículas en suspensión. Esto nos induce a no aconsejar su uso dado su relativamente corta vida útil.

Por último consideraremos a los bronces al aluminio. Estos son cuproaluminios generalmente aleados con una variedad de elementos unitarios o combinados como el hierro, el manganeso, el níquel, el silicio u otros y que adecuadamente dosificados y con o sin tratamientos térmicos, según sea la necesidad, poseen la más alta resistencia a los factores de agresión que impone la industria del petróleo.


Cuerpo hidráulico quíntuple  en bronce al aluminio

Por ejemplo: su resistencia a la corrosión electroquímica es superior a la de los metales antes citados, incluyendo a la corrosión bajo tensiones. Frente a la oxidación directa por presencia de oxígeno tiene la particular cualidad de autogenerar una capa superficial muy fina de óxido de aluminio que es prácticamente impenetrable por agentes oxidantes y que tiene una adherencia tal que no puede ser barrida por la fricción de los líquidos y las micropartículas inmersas en los mismos. Esta cualidad, como ya vimos, no la poseen los otros metales alternativos, ni aún los costosos aceros inoxidables. La resistencia de esta película lo convierte en un material prácticamente inmune a la corrosión por cavitación.


Repuestos navales en bronce al aluminio.

Estas particulares características son las que, dicho sea de paso, los hace  imprescindibles para la fabricación de hélices o piezas que permanecen sumergidas en las embarcaciones de altas prestaciones. Es asimismo altísimamente resistente a la reacción REDOX ya mencionada, sobre todo a la generada por fluidos cuyo pH sea menor que 7.

Con respecto a la corrosión generada por la presencia del CO2 contenido en el petróleo se producen una serie de reacciones en contacto con la humedad, siempre presente en el fluido, que se vuelve ácida (pH menor que 7) dando lugar a la formación  acido carbónico (H2CO3) y luego carbonato de hierro que se puede depositar en la superficie de piezas o tuberías hechas de acero, constituyendo una capa protectora pero que, lamentablemente, es fácilmente desprendible por el rozamiento del fluido y sus partículas en suspensión, lo que anula su acción. Este fenómeno no afecta a las piezas fabricadas con bronces al aluminio pues el bajo contenido de hierro que poseen no da lugar a que se desarrolle el mismo.

Paralelamente aparece con el petróleo el efecto de corrosión por hidrógeno, que produce, en los aceros tanto en los comunes como en los inoxidables, una descarburización acompañada de ampolladuras superficiales y una fragilización nada despreciable. Este fenómeno tampoco afecta a piezas fabricadas con bronce al aluminio sobre los que su influencia es considerada tan pequeña que no merece mayor consideración.

Finalmente podemos agregar que los bronces al aluminio aleados pueden satisfacer y hasta superar las propiedades mecánicas y de fatiga requeridas por esta industria, que sumadas a su insuperable capacidad para soportar el ataque corrosivo del petróleo, como ya vimos y que le otorgan la más alta relación duración/costo haciendo de este material el más apto para la función que estuvimos analizando.


Tuercas en bronce al aluminio.

Esta afirmación es comprobable simplemente con visitar las más modernas instalaciones de extracción y manipuleo de los distintos tipos de petróleo y  a los fabricantes o proveedores  de las partes que este mercado requiere.

[1] El Término pH  significa «potencial hidrógeno» , recordemos que es una medida de la acidez o alcalinidad de una sustancia cualquiera indicada por la concentración molar de iones HIDRONIO ( H3O+) presentes en la misma y su expresión matemática : logaritmo negativo de base 10 de la concentración molar del ión hidronio pH = _ log ( H3O+ ). Cuando dicha concentración indica cero acidez y cero alcalinidad su valor es 10-7 y su valor del pH será: pH = -log ( 10-7 ) = 7. Cuando decimos concentración molar de iones hidronio nos estamos refiriendo a la actividad de iones hidrógeno. Un ión hidrógeno (o catión hidrógeno pues tiene carga eléctrica positiva) es un átomo de hidrógeno que ha perdido un electrón. Como en su núcleo tiene solamente un protón, cuando se ioniza pasamos a llamarlo ión hidrógeno. En cambio el ión hidronio es una asociación de un ión hidrógeno con una molécula de agua, quedando constituida la misma con 3 hidrógenos, 1 oxígeno y una carga igualmente positiva (H3O+). Es la forma estable en que se encuentran los hidrógenos ionizados y poseen idéntico valor de actividad. De allí que en la fórmula se utiliza el valor de su concentración molar para determinar el pH. De todos modos el pH es una escala que indica la acidez de cualquier sustancia en disolución acuosa. Esta escala va de 0 a 14 y el valor 7 indica neutralidad. Los valores menores a 7 indican acidez y los mayores a 7 indican alcalinidad.
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