CORROSION POR CAVITACIÓN, POR PICADURA, EN RENDIJAS Y FILIFORME

INTRODUCCIÓN

El hecho de que los metales, cuyo consumo es una medida de la civilización y la cultura sólo puedan obtenerse de sus menas a costa de grandes aportes de energía, indica que se emplean en un estado meta estable, de violencia, y cuando ésta violencia se elimina vuelven a perderse, lo que justifica los fenómenos de corrosión y sus efectos.

Se ha llegado a la conclusión de que, aunque se tomen todas las previsiones posibles, no se puede impedir completamente las pérdidas de metales por corrosión, pero cabe lograr una disminución en la magnitud de los perjuicios, y esto basta para que todos los esfuerzos sean justificados. El conocimiento de los fenómenos de corrosión y la puesta a punto de medidas eficaces contra ella es una exigencia económica mundial, como consecuencia del enorme consumo de los materiales metálicos.

El problema de la estabilidad de los metales no solo es de importancia económica, sino vital para la independencia de una Nación, porque permite asegurar el suministro, de las muchas veces escasas, materias primas a través del ahorro que supone el aumento de la vida útil de los productos manufacturados, el aumento de su valor comercial y el incremento del aprovechamiento productivo del trabajo de los hombres.

Un gran porcentaje de la producción mundial de hierro (acero) se emplea en reponer la enorme cantidad de metal que se pierde a causa de la corrosión. Son miles de millones de dólares el importe de los daños causados y los medios que se utilizan para prevenirla por año a causa de la corrosión.

Un aspecto de importancia primordial en el estudio de la estabilidad de los metales es que sus consecuencias no son directamente calculables son los referidos a la integridad física de las personas. Jamás se conocerá el costo de las heridas recibidas y de las pérdidas de vidas causadas en accidentes atribuidos a la corrosión.

Dentro de los accidentes más notables causados por la corrosión, pueden citarse; el derrumbe de un puente y sus consecuencias, el accidente causado por una escalera oxidada, el estallido de una tubería de una caldera, la rotura de una cañería que transporta ácido o material inflamable, el desprendimiento de un ala de un avión, etc. Estos son algunos de los accidentes que puede causar esta enfermedad rastrera que siempre tiende a nulificar el trabajo del hombre.

La corrosión metálica es el desgaste superficial que sucede cuando los metales se exponen a ambientes reactivos. Los compuestos químicos que constituyen los productos de tal desgaste son parientes cercanos de las rocas minerales metalíferas que se encuentran en la corteza terrestre. En otras palabras, las reacciones de corrosión ocasionan que los metales regresen a sus menas originales.

A temperaturas superiores a 200°C, existe una reactividad significativa de la mayoría de los metales en aire seco y la rapidez y magnitud de la reacción aumentan progresivamente, tanto se incrementa la temperatura como si el aire es contaminado por otros gases. Puede decirse que el grado de desgaste depende principalmente de las propiedades de conducción iónica del producto de corrosión, en el caso en que este esté presente como una capa sólida; y por su resistencia mecánica y adherencia al metal subyacente.

A las temperaturas a las que el agua es líquida, el proceso de corrosión que predomina es el electroquímico, el desgaste metálico se produce por disolución anódica.

A temperatura ambiente, el progreso de la corrosión electroquímica está determinado por un grupo de factores, entre los cuales, tiene primordial importancia la naturaleza (agresividad y concentración) de cualquiera de los reactivos oxidantes que estén presentes.

Pero a diferencia de la corrosión a temperatura elevada, la rapidez de la corrosión electroquímica no está sólo determinada por las propiedades conductoras de las capas superficiales formadas, sino también por factores cinéticos, tal como reacciones de transferencia de electrones, la cual ocurre muy lentamente a bajas temperaturas.

CAVITACIÓN

La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. El fenómeno puede producirse lo mismo en estructuras hidráulicas estáticas (tuberías, Venturis, etc.), que en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y máquinas hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitación es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo. (Los constructores de bombas hidráulicas, por ejemplo, reciben con frecuencia reclamaciones y encargos de reposición

DESCRIPCIÓN DE LA CAVITACIÓN.

Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, él liquido hierve y forma burbujas de vapor. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, implotando bruscamente las burbujas. Esta fenómeno se llama cavitación. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando cambian de estado, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy alto, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea con diferentes partes de la máquina.

Según se ha dicho, cuando, la corriente de un punto de una estructura o de una máquina alcanza una presión inferior a la presión de saturación de vapor (Fig. 1), el líquido se evapora y se originan en el interior del líquido “cavidades” de vapor, de ahí el nombre de cavitación. En el interior del fluido existen, pues, zonas en que reina un gradiente fuerte de presiones que aceleran las burbujas y producen un impacto en el contorno (Venturis, bombas, turbinas, etc.).

El fenómeno de la cavitación se explica con el mecanismo siguiente: si la presión en un líquido como el agua baja suficientemente, empieza a hervir a temperatura ambiente. Consideremos un cilindro lleno de agua y tapado con un pistón en contacto con el agua. Si se mueve el pistón en dirección fuera del agua, se reduce la presión y el agua se evapora formando burbujas de vapor, si ahora bajamos el pistón hacia el agua la presión aumenta, el vapor se condensa y la burbuja se destruye (colapso de la burbuja). Cuando se repite este proceso con alta velocidad como por ejemplo -en el interior de una bomba de agua, se forman y se destruyen las burbujas rápidamente. Se demostró con cálculos que una burbuja en colapso rápido produce ondas de choque con presiones hasta de 410 MPa. Estas fuerzas ya son capaces de deformar varios metales hasta la zona plástica, lo que está comprobado por la presencia de bandas de deslizamiento sobre partes de bombas o de otro equipo sujeto a cavitación.

Figura 1. Tabla de vapor de agua que muestra como la temperatura de fusión del agua está en función de la presión del medio.

El incremento de la velocidad va acompañado de un descenso en la presión. Por ejemplo, la velocidad del aire sobre la parte superior del ala de un aeroplano es, en promedio, más rápida que la que pasa por debajo de la misma ala. Entonces, la fuerza de presión neta es mayor en la parte inferior del ala que en la parte superior de esta (el ala genera sustentación).

Si la diferencia de velocidad es considerable, las diferencias de presión pueden también serlo. Para flujos de líquidos, esto podría resultar con problemas de cavitación, una situación potencialmente peligrosa que resulta cuando la presión del líquido se reduce hasta la presión de saturación del vapor y entonces este hierve. La presión de saturación del vapor es la presión a la cual comienzan a formarse burbujas de vapor en el líquido. Obviamente esta presión depende del tipo de líquido y de la temperatura.

Una manera de producir cavitación es denotada en la ecuación de Bernoulli. Si la velocidad del fluido se incrementa (por ejemplo en una reducción de área), la presión descendería. Este descenso de presión al acelerar el líquido podría ser menor que la presión de saturación de vapor de dicho fluido. Un ejemplo de cavitación puede ser mostrado en el siguiente diagrama:

Q

En algunas situaciones la ebullición ocurre (cuando la temperatura no necesariamente es muy alta), formando burbujas de vapor, entonces estas se colapsan cuando el fluido las arrastra a una zona de mayor presión (con una velocidad menor). Este proceso puede introducir efectos dinámicos (implosión), si la burbuja se colapsa cerca de una pared de un dispositivo hidráulico esta podría, luego de un periodo de tiempo, causar daños en este por cavitación.

Propondremos ahora un ejemplo con una estructura hidráulica estática (tubería), la cual podría presentar problemas por cavitación.

Agua a 60°F es extraída de un tanque de diámetro constante. Se determinará la altura máxima necesaria (con respecto al piso del tanque) para la cual el agua al ser extraída no causara problemas de cavitación. Patm=14.7 psi.

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