PRÁCTICA NO 2. ESTABILIDAD DE DISTINTOS MATERIALES EN DIVERSOS MEDIOS MEDIANTE PRUEBAS DE INMERSIÓN Autores: L. ACEVEDO 1; G. MORENO 2; C. REYES 3.
1.Estudiante de Ingeniería Metalúrgica. UIS.
[email protected] 2.Estudiante de Ingeniería Metalúrgica. UIS.
[email protected] 3.Estudiante de Ingeniería Metalúrgica. UIS.
[email protected] Resumen: En la presente entrega se discutirán los resultados obtenidos en la prueba de estabilidad de materiales metálicos en diferentes ambientes simulados en el laboratorio. La prueba de inmersión consistió en introducir tres cupones de acero al carbono en una muestra de suelo durante una semana (7 días) y tres cupones de latón en distintos medios durante el mismo periodo de tiempo. Un cupón de latón se colocó sobre una solución acida, otro sumergido y el restante parcialmente sumergido en la solución. Para concluir, se evalúa por técnicas gravimétricas la velocidad de corrosión que presenta cada material en el ambiente al que fue sometido. El proceso de inmersión se llevó a cabo teniendo en cuenta las consideraciones mencionadas en la norma ASTM G31. Palabras Claves:
Procedimiento:
Gravimetría, Acero, Latón.
La práctica se dividirá en dos ensayos, el primero correspondiente a la inmersión de cupones de latón dentro de una solución ácida (Parte A) y el segundo correspondiente a la inmersión de cupones en suelo (Parte B). [3]
Introducción: Dentro del análisis de corrosión de una pieza, uno de los datos más importantes a analizar es su velocidad ya que con esta se es posible predecir un tiempo de vida media aproximado, sin embargo, esta velocidad depende del medio en el que ella se encuentre, las condiciones en las que se es expuesta y el material de fabricación de la pieza; partiendo de esta información, la pieza es sometida a una serie de pruebas con el fin de analizar su comportamiento frente al medio en el que trabajará. Un ejemplo de esto es la interacción de una tubería con el suelo en que ella será expuesta, simulando la composición química y humedad del mismo [1]. Sin embargo, la corrosión además de reaccionar con medios sólidos como el suelo también puede presentarse en la interacción con un fluido como lo es el caso de la industria marina en la que las piezas se encuentran en presencia de una solución salina como el mar, de esta forma se realizan pruebas de inmersión en la que se exponen ciertos materiales a la presencia de diversos fluidos, el latón es uno de los materiales por excelencia para llevarse a cabo este tipo de pruebas gracias a la capacidad que posee para no ser alterado en un amplio rango de temperatura (-100°C y 200°C), su alta soldabilidad mediante el método de soldadura de oxiacetileno y la resistencia corrosiva frente a diversos fluidos [2].
Parte A: Tal como se muestra en la Figura 1 se seleccionan tres cupones de latón para su inmersión en una solución de ácido acético llevando a cabo el montaje expresado en la Figura 2, inicialmente se comprueban las condiciones del material y su adecuada limpieza con el seguimiento adecuado de las especificaciones en las normas ASTM G31, ASTM E3 y ASTM G1 respectivamente.
2
1
3
40mm FIGURA 1. Cupones de latón seleccionados. Se preparan 500 [mL] de Ácido Sulfúrico (H2SO4) 1 N en agua destilada junto con 500 [mL] de Ácido Acético (C2H4O2) al 5% en agua destilada, por otra parte se realiza la medición de cada cupón antes de realizarse la inmersión dentro del montaje, se ensamblan los cupones a la barra de acrílico que posee las medidas necesarias entre los cupones, acto seguido se
agrega la solución dentro del recipiente correspondiente teniendo en cuenta que el primer cupón debe estar emergido completamente, el segundo a mitad y el tercero no debe tocar la solución. Finalmente se sella el recipiente y se deja reposar durante 7 días a temperatura ambiente. Pasados los 7 días se procede a remover los cupones de la solución y realizar su respectivo análisis, el cual corresponde a una nueva toma de medidas y análisis micrográfico.
Resultados: Parte A:
1
2
1
2
3
Figura 3: Montaje experimental de los cupones de latón luego de 7 días.
3 2 Figura 2: Montaje inicial de los cupones de latón en el recipiente con solución de ácido acético.
Parte B: Para la PARTE B se contará con 3 cupones de acero, los cuales se introducirán en el suelo con la composición designada para la práctica, al igual que en la parte anterior se deberá realizar una limpieza a los cupones siguiendo las normas ASTM E3 y ASTM G1 y se tomarán las dimensiones y el peso inicial de cada uno. A continuación, se insertan los cupones dentro del respectivo suelo y finalmente se sella el recipiente y se deja reposar en un área con temperatura ambiente durante 7 días. Pasado este tiempo se retiran los cupones y se toma el peso final para posteriormente hallar la velocidad de corrosión de cada uno de ellos.
Figura 4: Sector del cupón 2 que no presento contacto con la solución, observado a 2,5X.
Cálculo de la velocidad de corrosión según la norma AST M G3: V=
∗ ∗ ∗
(1)
Donde:
3
V = Velocidad de corrosión en mpy. K = Constante igual a 534 W = Pérdida de masa en mg. A= Área expuesta a la corrosión en In2 T = Tiempo de exposición en horas (168) D = Densidad 8,6 g/cm^3 para el latón
1
Figura 5: Cupón 3 y 1 respectivamente, observado a 2,5X.
Cupón 1 V=
534 ∗ 37,3 3,845 ∗ 168 ∗ 8,6
Calculo del área de contacto de los cupones: = [ ∗ ∗ − ( ∗ ) ∗ ] + [ ∗ ∗ + ∗ ∗ ] + [ ∗ ∗ ∗ ]
Donde: = Área superficial del cupón en cm2. = Largo del cupón en cm. = Ancho del cupón en cm. = Espesor del cupón en cm. = Radio del orificio interno del cupón en cm. = Número de orificios del cupón. A
Cupones circulares
Diámetro Diámetro externo prom de [cm] arandela [cm]
Area expuesta [In2]
1.Cupon sin sumergir
3,975
0,09
3,845
2. Cupón medio sumergir
3,9425
0,09
3,782
3.Cupon sumergido
3,8975
0,09
3,697
Tabla 1: Valores de las medidas de cada cupón y su respectiva área expuesta.
Peso inicial. [miligramos] Peso después de 7 días [miligramos] Diferencia en peso [miligramos] mpy
= 3,585
Cupón 1. Sin sumergir 4.456,7
Cupón 2. Parcialmente sumergido 4.451,0
Cupón 3. Sumergido totalmente 4.631,4
4.419,4
4.406,8
4.622,4
37,3
44,2
9,0
3,585
4,319
0,900
Tabla 2: Pesos de los cupones, antes y después de 7 días, con su respectiva perdida de masa. Parte B:
Antes
Después
Figura 6: Uno de los cupones de acero antes y después del ensayo.
Antes
Después
Acero 1
Acero 2
Acero 3
Peso inicial. [gramos]
129,9199
130,782
113,995 8
Peso después de 7 días [gramos] Diferencia [gramos] mpy
129, 9048
130,7598
113,981
0,0151
0,0222
0,0148
0,327
0,56
0,33
Tabla 4: Peso inicial y final de los cupones transcurrido 7 días, con su respectiva pérdida de masa y velocidad de corrosión en mpy. Figura 7: Superficie del cupón de acero antes y después del ensayo, observada a 2,5X.
Análi sis d e resultados Parte A
Cupones rectangulares
Largo [cm]
ancho [cm]
Espesor [cm]
1. acero 1
11,1
5,4
0,036
Area expuesta [cm2] 121,068
2. Acero 2
10,3
5
0,0368
104,12608
3. Acero 3
10
5,8
0,03
116,948
•
Tabla 3: Valores de las dimensiones de cada cupón y su respectiva área expuesta. •
Cálculo de la velocidad de corrosión según la norma AST M G3: V=
∗ ∗ ∗
(1)
Donde: V = Velocidad de corrosión en mpy. K = Constante igual a 3,45x10^6 para mpy W = Pérdida de masa en g. A= Área expuesta a la corrosión en cm2 T = Tiempo de exposición en horas (168 h) D = Densidad 7,84 g/cm^3 para el acero
Una vez completados los 7 días, se observó para el caso del cupón 1 (figura 5) y la parte del cupón 2 (figura 4) que se encontraba por fuera de la solución; la presencia de óxido de cobre estable y característico por su coloración azulada. La presencia de este oxido es consecuencia de una corrosión homogénea debido a la reacción entre el cobre del latón y los gases atrapados en el sistema. Para el cupón 3 (figura 5) y la parte sumergida en el ácido del cupón 2 no se percibe gran diferencia si la comparamos con las áreas de los cupones externos a la solución. Sin embargo, se puede confirmar la corrosión por parte del latón debido a que la solución no poseía la misma tonalidad inicia. A continuación, observaremos las reacciones correspondientes al cobre, las cuales tuvieron lugar en el ensayo.
Reacción anódica (1) Reacción catódica (2)
Cupón de acero 1 Reacción global V=
3,45x10 ∗ 0,0151 121,068 ∗ 168 ∗ 7,84
(3)
= 0,327 •
En cuanto a la velocidad de corrosión, el cupón 2 que se encontraba parcialmente sumergido, presento la mayor pérdida de masa (tabla 2) junto con una mayor velocidad de corrosión.
Parte B •
En la figura 7 podemos observar la superficie de uno de los cupones de acero, antes y después del ensayo, con presencia de corrosión localizada en ciertos puntos de la superficie transcurridos los 7 días. El cupón 1 y 3 presentan velocidades de corrosión similares, por lo que las condiciones del suelo se podrían considerar homogéneas. El cupón 3 posee una velocidad más alta sin embargo no difiere demasiado de los otros dos (tabla 4).
Conclusiones •
•
•
Al poseer un latón inmerso en una solución ácida, al cual se desea calcular su velocidad, es necesario en primera instancia realizar un proceso de limpieza adecuado con el fin de eliminar cualquier capa perteneciente a productos de corrosión y así poder calcular la pérdida de peso deseada. Como es de esperarse en el campo industrial el terreno donde son enterradas una gran cantidad de estructuras metálicas es un medio altamente corrosivo de carácter heterogéneo donde encontramos variables que pueden llegar a afectar la velocidad de corrosión de las estructuras mencionadas, dichas variables pueden ser composición del suelo, humedad, sales presentes, contaminantes orgánicos, metales y sustancias como cloro y azufre, por ello se requiere de un previo estudio del suelo en cuestión. Para determinar el nivel corrosivo de un suelo es necesario hallar la velocidad corrosiva del material seleccionado sobre cada uno de los suelos a tratar y de esta forma comparar los resultados obtenidos para así poder determinar cuál es el medio más corrosivo.
Referencias: [1] García, K., Morales, A., Barrero, C. and Greneche, J. (2006). ̈ New contributions to the understanding of rust layer formation in steels exposed to a total immersion tesẗ . Corrosion Science, 48(9), pp.2813-2830.
[2] Tecnología Total: Ingeniería en Integridad y Corrosión. (2015). Cupones de Corrosión. [online] Disponible en: http://tecnologiatotal.net/wpcontent/uploads/2015/01/COM-HT004_Cupon_Corrosion_Interior_B.pdf [3]
“Estabilidad de distintos materiales en
distintos medios mediante pruebas de inmersión” Práctica No. 1. Laboratorio
de corrosión. Universidad Industrial de Santander.
