Seguridad en el Diseño de Redes de Distribución Eléctrica

¿COMO INCIDE LA AGRESIVIDAD DEL SUELO
EN LOS ELECTRODOS DE ATERRAMIENTO?

RESUMEN


Las publicaciones precedentes (N°1-1997, N°1-1998) sumarizan los parámetros del entorno exterior que inciden sobre el material de los Conductores asi como los meanismos de su deterioro por corrosión, quedando para ésta ocasión el examen breve de la agresividad de los suelos o de los Rellenos de instalación subterránea que atacan a los metales de los Electrodos de Puesta a Tierra, cuyo deterioro a largo plazo normalmente no es considerado por parte de los Ingenieros Proyectistas como una situación a ser evitada, desde el diseño pese a que por dicha causa se produce primero el peligroso incremento de la Resistencia de Dispersión, y luego se acorta la vida útil de la instalación que normalmente no admite renovaciones o reparaciones sustanciales a bajo costo.

1.- INTRODUCCION


Las Puestas a Tierra etan conformadas por Electrodos enterrados en contacto directo con el suelo natural o mayormente a través de un Relleno constituido por tierra de granulometría fina, mezclada con sales conductoras disueltas en agua, para de ese modo poder dispersar con la mínima Resistencia Eléctrica, tanto en permanencia, corrientes menores de Carga Estática, Fuga, desbalance, erráticas, etc. y también ocasionalmente otras de mayor magnitud como son las corrientes Inducidas, de Corto Circuito o de Rayo; su funcioamiento conductor y dispersor es entonces ininterrumpido, asegurando la protección de las personas pricipalmente contra Toques eléctricos y facilitando la referencia del Potencial cero para el correcto funcionamiento de los aparatos eléctricos y electrónicos.

El modo de instalación descrito, constituye visto de otro modo la inmersión de un objeto metálico en una masa Electrolítica no homogénea y con diferentes concentraciones salinas y de oxígeno lo cual es susceptible de configurar un esquema disperso de Celdas Básicas de Corrosión micro y macro en toda la superficie de contacto del electrodo con el Relleno.

2.- ¿COMO OCURE LA CORROSION EN EL SUELO?


Los armados metálicos subterráneos como es el caso de los Electrodos de Puesta a Tierra, se corroen por Electrolisis; se trata de fenómenos de naturaleza Electroquímica los cuales implican movimientos de electrones desde las zonas Anódicas, (donde tiene lugar la Oxidación), a las zonas Catódicas (donde ocurre la Reducción) a través de las partes del metal no involucradas en la reacción, cerróndose el circuito por el Electrolito, (Suelo húmedo) que es una Solución caracterizada por su Conductividad Iónica: la ecuación Electroquímica básica es entonces:

De ese modo la corrosión denominada Electrogenética Galvánica puede ocurrir conformando Celdas de Corrosión:

- Galvánicas: En presencia de metales no similares en un mismo Electrólito, o bien;

- Electrolíticas: En presencia de un mismo metal inmerso en diferentes Electrólitos, o

- De Concentración: En un mismo metal inmerso en diferentes concentraciones de un mismo Electrólito.

En los casos en los que los metales son diferentes, el más Catódico Pasivo o (Noble) prevalece a costa del deterioro permanente hasta su desaparición, del Metal Anódico (Activo); y cuando se trata de un mismo metal y diferentes concentraciones de un mismo Electrolito, las partes en deterioro son aquellas que sufren el mayor flujo de corriente contínua saliendo hacia el electrolito (Suelo húmedo). Dichos procesos espontáneos y permanentes, obedecen a la existencia de Diferencias de Potencial de hasta cientos de milivoltios, asociados a la presencia de los metales.

2.1 Los Potenciales Propios de los Metales.

El Refinamiento de los minerales metálicos para la obtención de los Metales puros involucra el uso de ingente Energía Térmica que según la estructura molecular del metal, prevalece en forma de un Potencial Eléctrico Propio, como una cualidad que le permite a largo plazo el retorno a su estado natural (Oxido Metálico); dicho parámetro se mide en cada caso, exponiendo al metal puro a una solución que contiene un átomo gramo en peso de sus respectivos iones, y está relacionado con la propia energía de remoción de electrones para alcanzar el Equilibrio según la ecuación Elctroquímica básica arriba mencionada.

Al comparar dichos Potenciales Propios con un Patrón de Reducción o de Oxidación, se puede establecer una clasificación jerárgica; tal es el caso, de la Serie Electroquímica obtenida al escoger la Reducción del Hidrógeno (H2/H+) a la que arbitrariamente se le asigna el Potencial Cero.

De ese modo el lugar que ocupa cada metal en la clasificación de Potenciales Elecroquímicos o Potenciales de Electrodo, estará dado por la expresión.

                    Según lo cual, los metales más resistentes a la Corrosión (más Catódicos o Nobles), son aquellos que producen menos electrones que el Hidrógeno y por lo tanto presentan un Potencial de Electrodo más positivo; en el Cuadro N° 1 el Oro encabeza la Serie con V = + 1.5 Voltios, mientras que los metales Alcalino Terrosos presentan Potenciales negativos mayores, el Litio cierra la lista con V = - 3.0 Voltios.

CUADRO N° 1

* Serie Electroquímica de Potenciales de Electrodo Respecto del Electrodo de Hidrógeno (H2 / H+)

Una Serie más práctica resulta utilizando un Electrolito conocido (Agua de mar), metales y aleaciones utilizadas en Ingeniería, y una celda de Referencia fácilmente transportable (Cu-SO4Cu), según lo cual se tiene el Cuadro N° 2

CUADRO N° 2

* Serie Electroquímica de Potenciales de Electrodo Respecto del Electrodo Cobre-Sulfato de Cobre (Cu-S04 Cu)

2.2 Las Corrientes que Producen Corrosión.

No sólo la Corriente Contínua generada por proceso Electroquímico en las Celdas de Corrosión es la que ocasiona en permanencia dicho deterioro, también las corrientes denominadas erráticas, que circulan por el suelo siguiendo circuitos diferentes al de la Celda de Corrosión incrementan sustancialmente el proceso al abandonar el Electrodo hacia el suelo; Cuadro N°3; además de lo cual existen otras corrientes muy corrosivas que se derivan del funcionamiento de aparatos con carga denominada "no lineal" tales como Rectificadores, Cargadores de Baterías, UPSs etc.

Al lado de ellas las Corrientes Alternas de idéntica magnitud sólo ocasionarían el 1% de la corrosión, y aquellas de Alta Frecuencia apenas iniciarían el proceso en tal sentido, las Plantas Industriales que tienen fuentes y cargas de Corriente Contínua, propiciarán una mayor Corrosión Subterránea.

CUADRO N° 3

* Pérdida de Peso por corrosión en Kg/Amp-Año de Metales debido a las Corrientes Erráticas.

2.3 La actividad en la Celda de Corrosión.

Para que se posibilite la Corrosión es necesario que se cumplan cuatro condiciones indispensables.

        - Presencia de un Anodo y un Catodo.
        - Una diferencia de Potencial Anodo - Catodo.
        - Una Conexión directa Anodo - Catodo.
        - Un medio común de Inmersión Anodo - Catodo.

La celda elemental consta de dos electrodos inmersos en una solución, conectados externamente; el Anodo con exceso de electrones (cargas negativas), envía por un lado Iones metálicos Positivos (+) hacia el Cátodo, a través del Electrólito, y por otro lado, Electrones Negativos (-) hacia el mismo Cátodo, a través de la conexión directa; cuando los Electrones y los Iones Positivos se encuentran en el Cátodo, se neutralizan mutuamente (Reducción) dando lugar al fenómeno de corrosión localizado en el Anodo.

Si la Diferencia de Potencial en un sistema común Metal - Electrólito, es mayor que la Diferencia de Potencial Anodo-Catódo de las zonas de un mismo metal o de dos metales diferentes sólidamente unidos, se producirá Corrosión o disolución del metal en el Anodo, mientras que la reacción en el Cátodo es generalmente la Reducción del Oxígeno,debido a que los Electrólitos contienen Oxígeno.

Si el pH de la solución fuese neutro o alcalino (pH>7) se tendrá por ejemplo la corrosión del Fe,

02+ 2H20 + 4e- ---- 4OH-

Si el pH de la solución fuese en cambio ácido (pH = 1), se producirá la reacción denominada Reducción Protones:

2H+ + 2e- ---- H2

Si el pH de la solución por el lado ácido estuviese próximo al punto neutro (pH = 6), es decir existe Oxígeno e Hidrógeno simultáneamente, la reacción será:

02 + 4H+ + 4e- ---- 2H20

3.- CAUSAS DE LA CORROSION DE UN ELECTRODO
DE PUESTA A TIERRA

La Corrosión a través de micro celdas o macro celdas, también puede ocurrir en un mismo electrodo; será suficiente que entre dos partes cualesquiera de éste, aparezca una Diferencia de Potencial, lo cual puede ocurrir de varias maneras; se examinan las más conocidas:

a.- Por diferencia de concentración de Oxígeno.-

Origina una Celda de Aeración Diferencial, que esta relacionada a la existencia de zonas desprovistas de Oxígeno (Anódicas), y otras con abundante Oxígeno (Catódicas), lo cual ocurre respectivamente en los puntos interno y externo de ajuste de las Grapas de Presión, ó en la superficie inferior y superior de los conductores tendidos en medio del Relleno como Electrodos Horizontales o bien debido a la diferencia de granulometría pequeña y grande de los estratos del suelo en contacto con los Electrodos Verticales.

b.- Por Existencia de Solicitaciones Permanentes.-

Origina una Celda de Tensión Permanente, que está relacionada a la existencia de zonas con tensión mecánica de Tracción que presentan un comportamiento (Anódico) y otras con solicitación mecánica de Compresión que se comportan como (Catódicas); lo cual ocurre generalmente cuando la instalación de los electrodos es por clavado en el suelo, en cuya penetración sufren desviaciones forzosas o deformaciones.

c.- Por diferencia de Resistividad del Suelo.

Origina una Celda de conductividad Diferencial, a partir de la existencia de Rellenos no homogéneos o estratos del suelo con diferente Resistividad en los que está instalado un Electrodo; en cuyo caso los Rellenos o los estratos de Baja Resistividad son (Anódicos) y aquellos los de mayor o alta Resistividad son (Catódicos); lo cual ocurre generalmente en los Suelos nivelados para los Electrodos Horizontales, y en los Suelos comunes para Electrodos Verticales.

3.1 Examen de Materiales Alternos para los Electrodos.

Especialmente tratándose de la Ejecución de Puestas a Tierra de Protección que se caracterizan por su gran cobertura superficial y por su instalación en forma de Redes Malladas, en el pasado se examinaron diferentes materiales metálicos como alternativas competitivas con el Cobre; cuya presencia origina la Corrosión de estructuras de acero y tuberías de Fierro instaladas conjuntamente en el suelo; en tales oportunidades, se desarrollaron Estudios Aplicados abarcando las consideraciones de orden técnico (Fusión, Resistencia, baja Corrosividad) y económico (Existencia en el mercado, bajo costo); dichos materiales básicamente fueron, el Acero Galvanizado, El Acero Inoxidable, el Acero Plaqueado con Cobre y El Aluminio Anodizado.

Los modelos modelos establecidos para dichas iniciativas de menor inversión y desempeño inicial equivalente al del Cobre, no obstante, mostraron que con el tiempo su desempeño frente a la corrosividad de los suelos no era confiable.

3.2 Comparación de la Corrosión de los Materiales Básicos.

Dadas las condiciones de instalación en lecho húmedo de los Electrodos de Puesta a Tierra, la comparación del desempeño de los materiales metálicos o derivados que generalmente se tiende a seguir utilizando masivamente (Acero, aluminio) por su menor costo, puede hacerse respecto del Cobre con los Diagramas de POURBAIX, que son una descripción termodinámica del sistema Metal - Solución indicando el estado final de las tendencias de cada metal.

Condiciones Normales relacionando los Potenciales de Electrodo (Voltios) y el carácter de la solución (pH), y evidenciando las zonas de estabilidad de las diferentes especies químicas que se derivan; las que corresponden al metal (Me-) serán zonas de INMUNIDAD, aquellas que indican tendencia de disolución del metal (Men+, MeO etc) serán zonas de CORROSION, y otras que indican formación de productos sólidos que entorpcen la corrosión (MeOH), serán zonas de PASIVACION.

a.- Caso del Hierro.-

Muestra su inestabilidad en presencia del agua, y se corroe también en soluciones acuosas no oxigenables liberando hidrógeno; estas reacciones que son fuertes en medios ácidos, se apasiguan con el aumento del (pH) hasta cesar en el intervalo 10-13, en que el metal resulta cubierto de una capa de óxido; sin embargo, por sobre un (pH) superior a 13 las soluciones ya libres de agentes oxidantes resultan nuevamente corrosivas.

b.- Caso del Aluminio.-

Es un metal muy básico, y como su dominiode estabilidad esta por debajo de la del agua, en soluciones acuosas ácidas descompone el agua con evolución de hidrógeno, disolviéndose en iones metálicos e idénticamente en presencia de soluciones alcalinas, también descompone el agua disolviéndose en forma de iones de Aluminato Al O2+. En soluciones de (pH) entre 4 y 9 tiende a recubrirse de una capa de óxido protector Al2 03.

c.- Caso del Cobre.-

Presenta dos zonas de corrosión referidas a los medios ácidos y alcalinos fuertes; en el medio ácido, con un (pH) por debajo de 5.4 el límite del dominio de corrosión es una línea horizontal, al aumentar el (pH) se produce un cambio de dirección con el inicio de formación de una capa de Cu2 que protege al metal, formándose adicionalmente Cu2 (OH) y Cu0. Cuando el (pH) sobrepasa 11.6, los hidróxidos y óxidos no mantienen su estabilidad y se disuelven dando lugar a la aparición de una segunda zona de corrosión.

La evaluación conjunta muestra la supremacía del Cobre que no se corroe liberando Hidrógeno (H2) alrededor del (pH) neutro, mientras que el Hierro y el Aluminio si son susceptibles de ello; asimismo presenta una pequeña zona de corrosión pero con Potenciales mayores en el lado alcalino, donde el Hierro tiene un desempeño aceptable en un rango de Potenciales menores y el Aluminio es totalmente vulnerable; finalmente la nobleza del Cobre se verifica a través de la amplia parte común de su zona de Inmunidad con la zona de estabilidad Termodinámica del agua, lo cual no se da para el Hierro ni para el Aluminio.

Consecuentemente, si se espera larga duración en la práctica no resultará conveniente el uso de otros materiales para los Electrodos de Puesta a Tierra, aunque estos estuviesen protegidos por un Plaqueado de Cobre, dado que al corroerse dicha placa en suelos que contienen Sales de Amoniaco (Tierra de Cultivo), Cloruros, Sulfuros y Agentes Oxidantes el acero interior se disolverá aceleradamente rompiendo las paredes de Cobre.

4.- COMO PARTICIPA EL SUELO O
EL RELLENO EN LA CORROSION

Los Suelos o los Rellenos húmedos constituyen un Electrólito complejo en el cual la Corrosión puede variar de un punto a otro en la superficie del electrodo de Puesta a Tierra, debido a las Diferencias de Potencial entre áreas adyacentes que crean Celdas de Corrosión y controlan las Tasas de Corrosión: ello se origina según existan:

- Diferentes contenidos de humedad.
- Diferentes concentraciones de Oxígeno.
- Diferentes Resistividades entre zonas adyacentes.
- Contenidos Salinos.
- Concentración de Iones Hidrógeno.
- Gradientes de Temperatura.
- Esfuerzos Internos de la Aleación del Electrodo.
- Tratamiento Térmico Superficial del Electrodo.

Los suelos de baja Resistividad normalmente permiten altas Tasas de Corrosión, la humedad en este caso juega un rol importante, debido al contenido y tipo de los elementos que producen Iones libres en el Electrólito.

4.1 La Cinética de la Corrosión en el Suelo.

La concentración de Iones libres de Hidrógeno (pH) y el Oxígeno disuelto participa en el proceso de control de la Corrosión; un Electrólito Acido (pH<7) contiene exceso de Iones Hidrógeno que promueven la neutralización de los electrones e incentivan el flujo de Corriente de Corrosión; de ese modo, las partes del Electrodo que se hallan en la zona ácida del Electrólito son Anódicas respecto de aquellas que se hallan en una zona de (pH) mayor.

Un subproducto de la Corrosión es la acumulación de una capa gaseosa de Hidrógeno en la Superficie Catódica (por donde ingresa la Corriente de Corrosión); ésta polarización Catódica interviene reduciendo espontáneamente la corriente de Corrosión, constituyendo una barrera aislante; sin embargo, el Oxígeno disuelto en el Electrólito puede reaccionar con el Hidrógeno, para volver a formar agua, actividad que destruye la capa polarizante y permite que la corrosión continúe, el resultado es que las áreas que tienen alta disolución de Oxígeno, tienden a ser Catódicas.

4.2 El Control de la Corrosión en el Suelo.

El Examen del funcionamiento de las celdas de Corrosión sugiere métodos propios de mitigación o reducción de daños, los cuales mayormente se basan en la minimización de las corrientes de Corrosión (Corrientes que abandonan el Electrodo), lo cual contradice el funcionamiento de la Puesta a Tierra cuyo Electrodo principalmente debe conducir y dispersar corrientes de todo tipo, tanto en permanencia como ocasionalmente, por lo que prácticamente sólo habrían tres alternativas viables para la preservación de los Electrodos de Aterramiento sin menoscabo de la evacuación y dispersión de corrientes.

- Utilizar materiales altamente resistentes a la Corrosión, tales como el Cobre, Acero Inoxidable o aleaciones de Niquel o Titanio, descartando los metales (Activos) y los metales (Anfoteros).
- Utilizar en los lechos de instalación, Rellenos estables de (pH) neutro y a la vez conductivos e impermeables a la migración de sales corrosivas, tales como la Bentonita.
- Utilizar Protección Catódica.

Descartando el uso de la Protección Catódica sobre todo tratándose de pequeños Sistemas de Puesta a Tierra, sólo quedarían las posibilidades de uso de Electrodos Resistentes a la Corrosión y Rellenos conductores estables y neutros, exigencias difíciles de cumplir estríctamente pero si en forma aproximada, y con posibilidad de aplicarse conjuntamente para obtener un óptimo resultado a Largo Plazo.

4.3 El Desempeño del Acero Inoxidable como Electrodo

Actualmente constituye el único material Técnica y Económicamente competitivo con el Cobre en relación al desempeño frente a la corrosión que es exigible para los Electrodos de Puesta a Tierra; no obstante es menester mencionar las condiciones bajo las cuales dicho material cumple con sus prestaciones, y cuando éstas no se dan, en qué forma sufre los deterioros.

- Tiene un óptimo desempeño en la atmósfera, debido a que dispone del Oxígeno que requiere para mantener su capa protectora de Oxido; pero al estar enterrado la aireación de su superficie se ve limitada o es mínima, por lo que necesitaría estar inmerso en un Electrólito (Relleno) especial que actúe en permanencia como oxidante.

- Toda ausencia de Oxígeno, aún en forma localizada en la superficie del Electrodo, origina una zona Anódica en la que se inicia el Proceso de Corrosión por Picadura que se autoincentiva al ir reduciendo cada vez más el (pH) interior, mientras que en el exterior se mantiene la zona Catódica alcalina protectora, hasta que se produce la rotura física del Electrodo.

En el caso del Cobre, la capa protectora de Oxido es dura y a menos que sufra una rotura, no necesita renovarse porque resiste al ataque corrosivo de las sales comunes del suelo, a excepción de los compuestos fertilizantes que contienen Amoniaco o de los Sulfuros, en cuyo caso el proceso Corrosivo es de cobertura extensa y muy lento.

Los Electrodos de Acero con Plaqueado de Cobre, sufren una violenta corrosión interna y destrucción total, al ser perforada dicha capa por corrosión en las partes más débiles, lo cual ocurre en pocos años debido al uso de Sales Conductoras (GELS) aplicadas directamente sobre el Electrodo.

5.- CONCLUSIONES

a.- La agresividad del Suelo en los Electrodos de Puesta a Tierra se manifiesta a través de la inevitable Corrosión que propicia el lento incremento de su Resistencia de Dispersión y su destrucción.

b.- Toda instalación de Puesta a Tierra, debe compatibilizar exigencias que por naturaleza son favorables al fenómeno de Corrosión, con otras que son contrarias y que están orientadas a la preservación de los Electrodos y su correcto funcionamiento.

c.- Para obtener una instalación de Puesta a Tierra estable, de gran capacidad dispersora y larga duración, se podrá utilizar un electrodo resistente a la Corrosión (Cobre) Aislado de las Sales con un Relleno neutro y conductivo (Bentonita).

Ing. Justo YANQUE M.
Lima, Agosto de 1998.