Corrosión – Deterioro por Reacción Química

Introducción y Definición

Corrosión es la degradación irreversible de un material—generalmente un metal—debido a interacciones químicas o electroquímicas con su entorno. Este proceso es principalmente una reacción interfacial, donde átomos o iones se transfieren entre un material (como metal, polímero o cerámica) y su entorno, resultando en la transformación o consumo del material. Aunque la corrosión suele asociarse con el óxido de hierro, afecta a una amplia gama de materiales, incluidos los no metálicos. Las consecuencias son significativas: fallos estructurales, riesgos de seguridad y pérdidas económicas estimadas en $2.5–$3 billones anualmente en todo el mundo. La gestión moderna de la corrosión incluye modelado predictivo, monitoreo y análisis de ciclo de vida para mitigar riesgos y optimizar la selección y el mantenimiento de materiales.

Conceptos y Términos Clave

• Corrosión Química: Deterioro por reacción química directa, a menudo con ácidos u oxidantes, sin conductividad eléctrica. Por ejemplo, el ácido sulfúrico reaccionando con el acero forma sulfato de hierro e hidrógeno.
• Corrosión Electroquímica: El tipo más común en metales, que involucra reacciones redox en presencia de un electrolito (como agua con sales disueltas). Incluye regiones anódicas (pérdida de metal) y catódicas (protección).
• Oxidación: Pérdida de electrones de los átomos metálicos, formando iones que pueden combinarse con oxígeno para producir óxido o herrumbre.
• Reducción: Ganancia de electrones, generalmente en el cátodo. El oxígeno o los iones hidrógeno en el electrolito suelen reducirse.
• Ánodo: Sitio de oxidación y pérdida de material—la corrosión siempre ocurre aquí.
• Cátodo: Sitio de reducción; protegido de la corrosión en celdas electroquímicas.
• Película Pasiva: Una capa delgada y estable de óxido que se forma en metales como el acero inoxidable y el aluminio, protegiendo contra la corrosión adicional. El daño o ataque químico a esta película puede iniciar corrosión localizada.

Estos conceptos son fundamentales para entender cómo ocurre la corrosión y cómo puede gestionarse o prevenirse.

Clasificación de los Tipos de Corrosión

La corrosión puede adoptar muchas formas:

Corrosión Uniforme

Afecta a toda la superficie expuesta a aproximadamente la misma velocidad. Es común en acero sin protección expuesto al aire y la humedad; es predecible y a menudo se gestiona permitiendo un espesor extra (“margen de corrosión”).

Corrosión por Picaduras

Altamente localizada, formando pequeñas pero profundas cavidades en la superficie. A menudo se inicia por la ruptura de la película pasiva en ambientes ricos en cloruros (por ejemplo, agua salada). Es especialmente peligrosa porque es difícil de detectar y puede causar fallos con poca pérdida de material general.

Corrosión en Hendiduras

Ocurre en espacios confinados (bajo juntas, arandelas o solapes) donde un fluido estancado crea condiciones locales agresivas. Puede avanzar rápidamente y es difícil de detectar, representando riesgos en ensamblajes y uniones.

Corrosión Galvánica (Bimetálica)

Ocurre cuando dos metales diferentes están conectados eléctricamente en un electrolito. El metal menos noble (anódico) se corroe preferentemente. La gravedad depende de la diferencia de potencial, la conductividad del electrolito y la relación de áreas.

Corrosión Intergranular

Ataca los límites de grano en los metales, a menudo debido a la segregación o agotamiento de elementos protectores (como el cromo en el acero inoxidable). Puede causar fallos catastróficos sin mucho daño visible en la superficie.

Lixiviación Selectiva (Desaleación)

Elimina el elemento más reactivo de una aleación (por ejemplo, el zinc del latón), dejando una estructura porosa y debilitada.

Corrosión por Erosión

Acelerada por acción mecánica (flujo de fluidos, impacto de partículas) que elimina películas protectoras, exponiendo metal fresco al ataque químico. Común en bombas, tuberías y ambientes marinos.

Fisuración por Corrosión Bajo Tensión (SCC)

Fisuración causada por la combinación de esfuerzo de tracción y un entorno corrosivo específico. Puede causar fallos rápidos y catastróficos sin previo aviso.

Fragilización por Hidrógeno

Absorción y difusión de hidrógeno atómico en metales, especialmente aceros de alta resistencia, lo que conduce a fallos súbitos y frágiles.

Exfoliación y Corrosión Interfacial

La exfoliación es una forma severa de corrosión intergranular, que provoca el levantamiento y delaminación de capas de material, observada a menudo en productos laminados o extruidos como componentes aeronáuticos.

Mecanismos y Ciencia

La corrosión implica reacciones redox en la interfaz material-entorno:

• Reacción Anódica (Oxidación):
  M → Mⁿ⁺ + ne⁻
  (El metal pierde electrones y se convierte en ion.)

• Reacción Catódica (Reducción):

  • Reducción de oxígeno: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
  • Reducción de ion hidrógeno: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂

Los electrones liberados en el ánodo fluyen hacia el cátodo, donde ocurre la reducción. Los electrolitos (agua con iones disueltos) permiten la conducción iónica y completan el circuito.

Las películas pasivas (capas finas de óxido) en metales como el acero inoxidable y el aluminio pueden reducir drásticamente las tasas de corrosión. Sin embargo, si se dañan o se exponen a iones agresivos (como cloruros), puede iniciarse corrosión localizada.

Factores ambientales como el pH, la temperatura, el oxígeno, el contenido de cloruros y el flujo de fluidos influyen en las tasas y mecanismos de corrosión.

Corrosión Influenciada Microbiológicamente (MIC): Algunas bacterias aceleran la corrosión al alterar la química local, especialmente en tuberías y ambientes marinos.

Estrategias de Prevención y Mitigación

La prevención eficaz de la corrosión se basa en varios enfoques:

• Selección de Materiales: Utilizar aleaciones resistentes a la corrosión (acero inoxidable, titanio, aleaciones de alto níquel, PRFV, cerámicas) adecuadas para el entorno.
• Aleación: Añadir elementos como cromo y molibdeno para mejorar la resistencia.
• Recubrimientos Protectores: Aplicar recubrimientos orgánicos (pintura, epoxi), metálicos (zinc, níquel) o de conversión (cromato, fosfato) para crear barreras físicas.
• Protección Catódica: Convertir la estructura en cátodo en un circuito electroquímico.
  • Sistemas de Ánodo de Sacrificio: Se conecta un metal más reactivo para que se corroa en su lugar.
  • Sistemas de Corriente Impresa: Se utiliza una fuente de energía externa y ánodos inertes.
• Inhibidores de Corrosión: Sustancias químicas añadidas al entorno para reducir las tasas de corrosión formando películas o alterando las reacciones.
• Control del Entorno: Eliminar la humedad, controlar el pH, tratar el agua o usar atmósferas inertes.
• Consideraciones de Diseño: Evitar hendiduras, esquinas agudas y contacto entre metales distintos; asegurar drenaje y acceso para inspección.
• Inspección y Monitoreo: Usar métodos visuales, ultrasónicos, radiográficos o electroquímicos para detectar la corrosión de forma temprana.

A menudo se utiliza una combinación de estas estrategias para maximizar la vida útil y minimizar los costos.

Ejemplos Prácticos y Casos de Uso

Construcción e Infraestructura

Los puentes y edificios están expuestos a la humedad, contaminantes y sales, todos los cuales aceleran la corrosión. Los aceros patinables, refuerzos galvanizados y recubrimientos robustos son soluciones habituales. En el hormigón armado, la corrosión de la armadura de acero (a menudo debido a la entrada de cloruros) provoca fisuración y desprendimiento. Las soluciones incluyen armaduras recubiertas de epoxi o de acero inoxidable y aditivos inhibidores de la corrosión.

Equipos Industriales

Tuberías, tanques de almacenamiento y recipientes de proceso están en riesgo tanto de corrosión interna como externa (por ejemplo, agua, ácidos, microorganismos). Las medidas de protección incluyen protección catódica, recubrimientos e inhibidores de corrosión. Para productos químicos agresivos, también se utilizan revestimientos (goma, vidrio, polímeros).

Transporte

Aviones, trenes y automóviles enfrentan corrosión por humedad, productos químicos para deshielo y contaminantes ambientales. La industria aeroespacial utiliza aluminio, titanio y compuestos, pero debe gestionar la corrosión galvánica en uniones. Los automóviles emplean acero galvanizado y recubrimientos avanzados, especialmente en zonas donde se usa sal en carreteras.

Aplicaciones Marinas

Los barcos, plataformas offshore y estructuras portuarias están expuestos al agua de mar, oxígeno y actividad biológica. La corrosión se gestiona mediante ánodos de sacrificio, sistemas de corriente impresa, materiales de alta aleación y sistemas de pintura robustos. El PRFV de grado marino se utiliza en cubiertas y superestructuras por su inmunidad a la corrosión.

Torres de Enfriamiento y Agricultura

Los paneles de PRFV son comunes en edificios y torres de enfriamiento por su resistencia química al amoníaco y ácidos, larga vida útil y facilidad de mantenimiento, superando a los paneles metálicos en entornos agresivos.

Glosario de Términos Relacionados con la Corrosión

Ánodo:
Sitio de oxidación en una celda electroquímica—donde ocurre la pérdida de metal (corrosión).

Cátodo:
Sitio de reducción—protegido de la corrosión en el proceso electroquímico.

Margen de Corrosión:
Espesor adicional de material diseñado para ser perdido por corrosión uniforme predecible durante la vida útil de la estructura.

Daño por Corrosión:
Deterioro físico, pérdida de propiedades mecánicas o de función debido a la corrosión (incluye adelgazamiento, picaduras, fisuración).

Inhibidor de Corrosión:
Aditivo químico que reduce la tasa de corrosión formando una película protectora o alterando el entorno.

Material Resistente a la Corrosión:
Material que presenta tasas de corrosión significativamente menores debido a su composición o una película pasiva estable.

Desaleación:
Eliminación selectiva de un elemento de una aleación (por ejemplo, zinc del latón), dejando una estructura porosa.

Celda Electroquímica:
Sistema donde ocurre la corrosión debido a reacciones de oxidación y reducción simultáneas, con flujo de electrones entre ánodo y cátodo.

Serie Galvánica:
Clasificación de metales/aleaciones según su potencial de corrosión en un entorno dado—utilizada para predecir la corrosión galvánica.

Pasivación:
Formación de una película estable y protectora (generalmente óxido) en la superficie de un metal, reduciendo la tasa de corrosión.

Picaduras:
Corrosión localizada y severa que crea pequeños agujeros profundos en el material.

Fisuración por Corrosión Bajo Tensión (SCC):
Fisuración causada por esfuerzo de tracción en un entorno corrosivo específico, que conduce a fallos súbitos y frágiles.

Corrosión Uniforme:
Pérdida uniforme de material en una superficie; la forma más predecible de corrosión.

Conclusión

La corrosión es un proceso complejo y multifacético que afecta a casi todas las industrias y sistemas de infraestructura. Comprender sus mecanismos, tipos y estrategias de prevención es esencial para ingenieros y gestores de activos. Mediante un diseño cuidadoso, selección de materiales, sistemas de protección y monitoreo regular, los riesgos y costes de la corrosión pueden reducirse drásticamente, mejorando la seguridad y la sostenibilidad a largo plazo.