Tecnicas Electroquimicas

ANALISIS DE DATOS OBTENIDOS A PARTIR DE DIFERENTES TECNICAS ELECTROQUIMICAS Y LA TECNICA DE

PERDIDA DE PESO PARA UN ACERO INOXIDABLE 304

Galvan C. Carlos A. 1 , Orozco C. Ricardo.1,2 Universidad Veracruzana UV (Instituto de Ingenieria).

*[email protected]

RESUMEN

El presente articulo muestra los resultados obtenidos, apartir de diferentes tecnicas

electroquimicas como lo son la resistencia a la polarizacion lineal y la extrapolacion de Tafel,

obteniendo apartir de un potenciostato diferentes valores de corriente para una selección de

barrido especifica variando el potencial manualmente, correlacionando los valores obtenidos

tanto para RP y Tafel haciendo la comparacion entre los valores obtenidos mediante las dos

tecnicas. Se muestra el comportamiento de un acero inoxidable 304 en dos condiciones diferentes

la primera inmersa en una solucion de NaCl al 3% y un segundo sistema con una solucion de

NaOH al 0.5 M, para el calculo de ambas configuraciones se desarrollan las tecnicas RP y Tafel

respectivamente. En este articulo se añaden tambien el analasis de otra tecnica para evaluar la

velocidad de corrosion mediante la perdida de peso sobre un acero al carbono 1018.

Palabras Clave: Gravimetria, Tecnicas electroquimicas, Extrapolacion de Tafel, Resistencia a la Polarizacion Lineal, Acero Inoxidable 304.

XXXI CONGRESO DE LA SOCIEDAD MEXICANA DE ELECTROQUÍMICA

9TH MEETING OF THE MEXICAN SECTION ECS

1. INTRODUCCIÓN

Existe una gran variedad de tecnicas para evaluar la velocidad de corrosion, entre las cuales

se encuentran la Resistencia a la polarizacion, la extrapolacion e Tafel y por ultimo la tecnica de

perdida de peso, su uso depende de la informacion que queremos obtener y de las condiciones en

las cuales se evaluan (en laboratorio o in situ).

1.1. Tecnicas para la Evaluacion de la Corrosión

1.1.1. Metodo Gravimétrico o Perdida de Peso

La tecnica de perdida de peso es la mas simple y conocida de todos los metodos de monitoreo de corrosion. Esta tecnica se basa en la exposición por un tiempo determinado de una muestra (cupón) del mismo material de la estructura supervisada, en el mismo ambiente corrosivo al que la estructura está expuesta.La medicion obtenida de los cupones al analizarse es la pérdida de peso que ocurre en la muestra durante el período de tiempo al que ha sido expuesto, expresada como tasa de corrosion.La simplicidad de esta tecnica es tal, que la técnica de monitoreo con cupones es el método básico utilizado en muchos programas de corrosión. Esta tecnica es extremadamente versátil, debido a que los cupones de pérdida de peso pueden ser fabricados de cualquier aleacion comercial disponible.

1.2. Tecnicas Electroquimicas

1.2.1. Tecnica de Polarizacion Lineal (RP)

Las medidas de resistencia a la extrapolacion lineal (LRP por sus siglas en ingles) son una forma rápida para medir la velocidad de corrosión uniforme. La tecnica de polarización lineal usa los intervalos mas pequeños de potencial (con respecto al potencial de corrosión), aplicados para una muestra de metal. Las medidas de polarización lineal inician en aproximadamente – 20 mV respecto al Ecorr y terminan en + 30 mV con respecto al Ecorr, Por esta razon la prueba de polarizacion lineal no es destructiva.

1.2.2. Tenica de Extrapolacion de Tafel

La tecnica de extrapolación de Tafel proporciona proporciona otra forma de calcular la velocidad de corrosión de una muestra metalica, de igual forma se puede expresar en unidades de velocidades de penetracion o en unidades de perdida de masa. Con las graficas de Tafel se puede determinar que tipo de cinetica controla la velocidad de reaccion quimica (control por activacion o control por difusión). La tecnica de extrapolacion de Tafel se aplica en un intervalo de – 300 mV a + 300 mV alrededor del Ecorr.

230 DE MAYO – 3 DE JUNIO, 2016MONTERREY, NUEVO LEON



2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

Las condiciones en las cuales se llevaron acabo las diferentes tenicas electroquimicas se

realizaron bajo temperatura y presion controlada descartando errores posteriores atribuidos a

estas variantes. A continuacion se muestran las configuraciones para los diferentes sistemas en

los cuales se realizaron cada prueba tomando en cuenta la composicion quimica para el acero al

carbono mediante la normativa ASTM (primera tenica presentada) posteoriormente se consideran

las condiones para la evaluacion por las tecnicas de Rp y Tafel.

2.1. Caracterización por la Tecnica de Gravimetria

En esta etapa se evaluó la velocidad de corrosion para un acero al carbono (ASTM 1018)

por medio de la tecnica de perdida de peso. Las muestras se prepararon (cupones) según las

especificaciones de la norma ASTM G1 -99.

Tabla 1. La composición y la concentración de los aceros del carbono empleando en la experimentación reportadas por el Instituto Americano de Acero y Hierro (AISI por sus siglas en ingles).

2.1.1. Sistema Gravimetrico (Acero – Solucion NaCl)

Todos los experimentos se realizaron en recipientes de vidrio. Las soluciones de trabajo

fueron preparadas utilizando productos químicos grado reactivo analítico y agua destilada. Con el

fin de encontrar una relacion entre el limite de saturacion ionica en el electrolito, se expusieron

las muestras en una solucion de cloruro de sodio (3% NaCl) variando el volumen de la solucion a

la mitad del establecido por la norma ASTM G 31 (la norma establece 300ml).

Figura 1. Muestras expuestas en una solucion de NaCl con variacion de volumen.




2.1.2. Preparación de Muestras

Las muestras que fueron expuestas al medio reactivo, se preparon de tal manera que se

minimizara el factor dimensional, para esto se analizaron 4 muestras con dimensiones similares,

determinando su seccion de area total para cada una.

Figura 2. Dimensiones de los cupones para la prueba de perdida de peso.

Los cupones se limpiaron y pesaron antes y después de introducirles en la solución.

Entonces la pérdida de peso se convierte en una forma aceptable de la velocidad de corrosión por

ejemplo, pulgadas por año o, gramos por pulgada cuadrada.

Figura 3. Limpieza quimica para remover los productos de corrosion según la norma ASTM G1, para la preparacion de muestras.

Esta limpieza quimica se llevó a cabo con el fin de remover los productos de corrosion

que se pudieron generar por el ambiente, previos a la realizacion de la tecnica de perdidad de

peso. Esta limpieza se llevo a cabo según la norma ASTM G1 para hierros y aceros, mediante una

solucion de Acido clorhidrico y Hexametil tetramina por 10 min.

2.2. Caracterizacion mediante Tecnicas Electroquimicas




Debido que las condiciones o variantes como son el tipo de electolito asi como el

electrodo de trabajo afectan directamente en la evaluacion del resultado de velocidad de

corrosion, a continuacion se describe el sistema sobre el cual se efectuaron las pruebas.

2.2.1. Sistema Electroquímico

El sistema electroquimico sobre el cual se llevaron a cabo las pruebas de Rp y Tafel se

muestran a continuacion, donde se observan dos condiciones.

Condicion A Condicion B

Electrodo de referencia Ag/AgCl Electrodo de referencia Ag/AgCl

Contra electrodo Grafito Contra electrodo Grafito

Electrodo de trabajoAcero inoxidable

304Electrodo de trabajo

Acero inoxidable 304

Electrolito NaCl 3% Electrolito NaOH 0.5M

2.2.2. Configuracion de la celda

A continuacion se muestra (Figura 4.) la configuracion del sistema potenciostato/ celda electroquimica,

Figura 4. Configuracion del sistema Potenciostato/Celda, para la determinacion de la corriente de corrosion mediante la curva de polarizacion y extrapolacion de Tafel, ET: Acero Inox. 304, CE: Grafito, ER: Ag/AgCl.

3. REALIZACIÓN DE PRUEBAS




3.1. Determinacion de velocidad de corrosion por cupones de perdida de peso (ASTM 31 – 72)

En el ensayo de gravimetria las probetas fueron distribuidas de la siguiente manera: Se

sumergieron en un recipiente de vidrio contenedor del electrolito con la mitad del volumen según

la especificacion de la norma, sellados herméticamente se introdujeron 4 muestras evaluadas para

distintos tiempos de exposicion (7, 14, 21 y 28 días) para las cuales se monitoreo cada muestra y

asi registrar la perdida de peso. El montaje utilizado se muestra en la figura 1, donde el volumen

de cada recipiente era de 150 ml.

Figura 5. Registro de las mediciones de perdida de peso por semana.

Estas muestras fueron monitoreadas durante 7, 14, 21 y 28 días (1, 2, 3 y 4 semanas

respectivamente), en los cuales se retiraba del recipiente, se les realizo una limpieza en vaso de

precipitado con acetona y agua destilada. Posteriormente se pesaron en la misma balanza

analitica que se uso para las pesadas iniciales utilizando cuatro cifras significativas como se

muesta en la figura . Despues de este registro se realizo la interpretacion de los resultados.

3.2. Pruebas Electroquimicas




Estas pruebas se realizacion en el laboratorio del Instituto de Ingenieria de la Universidad

Veracruzana campus Mocambo, para las mediciones de corriente se utilizo un

Potenciostato/Galvanostato PG – 3EVM marca VIMAR

3.2.1. Curvas de extrapolacion de Tafel

Se realizo posteriormente al análisis de extrapolacion de Tafel (RP), en un barrido de –

300 a + 300 mV en relacion a la Ecorr o el potencial estandar del acero inoxidable 304, con una

velocidad de 10 mv/min y un tiempo de estabilización de 180 segundos, iniciando la curva su

recorrido en la zona catódica. En esta curva se grafico el potencial (mV) en funcion del logaritmo

de la densidad de corriente (log i).

Figura 6. Graficas de extrapolacion de Tafel para determinar la corriente de corrosion

Los datos registrados a partir de las mediciones a traves del potenciostato nos arrojaron curvas caracteristicas para un comportamiento Tafeliano, para obtener los valores de iCORR se graficaron estos datos registrados, se obtuvo la grafica 1 que se muestra en la figura 6.

1. Se seleciona una decada en el eje Y (Log i) en este caso se selección el rango entre -2.1 mA a -1.2 mA. La decada se considera donde hay poca variacion en la curva.

2. Se trazan las pendientes tanto anodica como catodica de tal manera que cubran la decada en curva anadica y la curva catodica respectivamente.




3. El punto de interseccion entre ambas pendientes se proyecta hacia el eje Y, el valor sobre el cual esta proyeccion toca el eje de Log i es el valor de la corriente de corrosion, para este caso en particular se obtuvo una iCORR = -2.28 mA.

Para determinar el valor de la constante de Tafel, se considero la siguiente ecuacion que es dependiente de la pendiente anodica y la pendiente catodica:

3.2.2. Resistencia a la Polarizacion.

Para el analisis de corrosion mediante la tecnica de Resistencia a la Polarizacion Lineal

(RP), se seleccion un barrido de – 30 a + 30 mV en relacion a la Ecorr o el potencial estandar del

acero inoxidable 304, con una velocidad de 5 mv/min y un tiempo de estabilización de 180

segundos.

Figura 7. Graficas obtenida a partir de los datos obtenidos por RP

Para obtener Rp (resistencia a la polarizacion) se traza una linea pendiente representativa a la

curva de polarizacion. Para determinar el valor de la iCORR, se considero la siguiente ecuacion que

es dependiente de la pendiente:




4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1. Determinación de la velocidad de corrosion mediante pruebas Gravimetricas

Los calculos para determinar la velocidad de corrosion por perdida de masa, se realizaron bajo la norma ASTM G1 – 90 mediante la siguiente ecuacion:

Los datos obtenidos para el calculo de velocidad de corrosion por el metodo gravimetrico se encuentran en la tabla

Tabla 2. Comportamiento de los valores de perdida de peso

Figura 8. Grafica de perdida de peso contra tiempo de exposicion.

La grafica de perdida de peso muestra un comportamiento puntual en la primera etapa de inmersion con un valor alto de velocidad de corrosion, conforme pasa el tiempo la velocidad de corrosion disminuye lo cual es entendido debido a la saturacion de iones en el recipiente provocando una caida en la velocidad de corrosion como se observa en la figura 7.




4.2. Determinación de la velocidad de corrosion RP y Tafel para un acero inoxidable 304 sumergido en una solucion de NaCl al 3%.

El potencial de corrosion para un acero inoxidable 304 en NaCl despues de un tiempo de

estabilidad de 30 min se determino en un rango de entre -50 a -61 mV, para este analisis en

particular se selecciono un potencial de -50 mV

Las pruebas electroquimicas tanto Tafel como Rp nos permiten realizar un calculo de

valores de velocidad de corrosion (CR) correspondiente a estas tecnicas se uso la siguiente

ecuacion:

La tecnica de resistencia a la polarizacion por su sencilles nos permite evaluar de manera

casi inmediata la velocidad de corrosion. En la grafica obtenida para un acero inoxdable 304 en

NaCl Figura 9, se puede observar primeramente un comportamiento irregular pero con una

tendencia, este comportamiento se debe fundamentalmente al medio en el cual esta expuesto el

acero debido a que es un medio muy agresivo para los aceros inoxidables.

Figura 9. Grafica de RP para un acero inoxidable 304 en NaCl




La grafica de extapolacion de Tafel figura 10. nos permite ver el comportamiento cinetico y

nos da un panorama mas amplio de lo que esta sucediendo en el electrodo de trabajo.

Dentro de la grafica se pueden observar pequeñas zonas de pasivacion (muy pequeñas). Y

al igual que en la grafica de Rp un comportamiento irregular debido al comportamiento del

electrodo de trabajo y los iones cloruros.

Figura 10. Grafica deTafel para un acero inoxidable 304 en NaCl

Comparando los resultados obtenidos por Rp y Tafel, podemos decir que en ambos casos

los resultados son similares y congruentes con el comportamiento tipico para un acero inox. 304.

Valores de velocidad de corrosion obtenidos por E. D. Padilla [1] donde se aprecia una

relacion que depende de el medio al cual fue expuesta la muestra (para un acero inoxidable 304).

Donde los valores de velocidad de corrosion estan el el rango de 1.71 – 1.27 mpy para un medio

salino o alto en concentraciones de iones cloruro.




4.3. Determinación de la velocidad de corrosion RP y Tafel para un acero inoxidable 304 sumergido en una solucion de NaOH al 0.5 M.

El potencial de corrosion para un acero inoxidable 304 en NaOH despues de un tiempo de

estabilidad de 30 min se determino en un rango de entre -170 a -180 mV, para este analisis en

particular se selecciono un potencial de -180 mV.

Figura 7. Grafica de RP para un acero inoxidable 304 en NaOH

Figura 7. Grafica de Tafel para un acero inoxidable 304 en NaOH

Los valores de velocidad de corrosion en este medio son mas estables y presenta una curva

con un comportamiento Tafeliano, sin embargo al comparar las velocidades de corrosion entre

estas dos tecnicas encontramos una diferencia, esto se puede atribuir a la selección de las

pendientes para determinar la corriente de corrosion.




5. CONCLUSIONES

En este trabajo se ha presentado la evaluación distintos tipos de tecnicas electroquimicas

que nos permiten determinar la velocidad de corrosion. En comparacion tenemos mayores rangos

de velocidad de corrosion para un acero inoxidable 304 en un medio de NaCl y son menores en

una solucion de NaOH. Existe remarcarda relacion entre Rp y Tafel sin embargo una buena

selección de las pendientes anodica y catodica para determinar la corriente de corrosion es

fundamental para disminuir la diferencia entre ambas tecnicas.

La evaluacion de la velocidad de corrosion por perdida de peso no deja de ser una forma

util y versatil para la evaluacion de la misma, sin embargo se tienen que considerar las

concentraciones de los iones en electrolito debido a la caida ohmica por la saturacion del mismo

que provaca una disminusion en estas velocidades de corrosion .

6. REFERENCIAS

[1] E. D. Padilla, P. A. Nuñez J. and José L. Vidarte, Comportamiento de los aceros inoxidables

frente a la corrosión electroquímica.

[2] ASTM G-5, 1978 Standard Reference Method for Making Potentiostatic and

Potentiodynamie.

[3] L. R. Sabogal Duarte, Evaluacion de la corrosion del acero inoxidable 304en mezclas de

gasolina – bioetanol de 5 al 20% mediante tecnicas de gravimetria y electroquimicas.

Universidad Industrial de Santander (2011)


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