Physics">
Simulacion de La Corrosion Por - Alfonso Garcia, Jesus
Simulacion de La Corrosion Por - Alfonso Garcia, Jesus
Simulacion de La Corrosion Por - Alfonso Garcia, Jesus
CORROSIÓN
ELECTROQUÍMICA POR
MÉTODOS NUMÉRICOS
Eleno Alfonso Brindis y Laureano Suárez Martínez
Universidad de Matanzas Camilo Cienfuegos
Facultad de Ingenierías Química y Mecánica
Departamento de Mecánica
-1-
________________________Simulación de la corrosión Electroquímica por Métodos Numéricos
Introducción
Para combatir la corrosión, usualmente se utilizan técnicas de protección entre las que
sobresalen la protección catódica y el empleo de recubrimientos, métodos estos que
resultan muy costosos y requieren de un mantenimiento planificado. Otra forma de luchar
contra estos fenómenos es mediante la experimentación, la cual permite la determinación
de los materiales óptimos y evita los sobrediseños que a la larga resultan muy costosos.
Esta permite además determinar el período de tiempo óptimo para la aplicación de los
sistemas de mantenimiento. La experimentación suele ser empírica o matemática, esta
última con un desarrollo progresivo en los últimos años.
La experimentación matemática ha basado su desarrollo fundamentalmente en la
aplicación de métodos numéricos, los cuales tienen como ventajas con respecto a los
métodos experimentales tradicionales el ahorro de recursos materiales y humanos,
trayendo consigo una rápido desarrollo de los experimentos. Numerosos han sido los
métodos numéricos desarrollado por el hombre en los últimos años, no obstante, el
método de elementos finitos ha sido el más generalizado. A pesar de su auge actual, para
el análisis de problemas superficiales el método de elementos de contorno constituye una
herramienta numérica más eficaz.
Por lo expresado anteriormente el objetivo de este trabajo es: Implementar la solución del
modelo matemático del método de elementos de contorno para el estudio del fenómeno de
corrosión electroquímica.
La implementación del modelo matemático de la corrosión a través de métodos numéricos
permitirá posteriormente modelar dicho fenómeno en piezas de acero sometidas a
ambientes agresivos y particularmente en los calentadores de aire regenerativos de la
CTE Antonio Guiteras, siendo este el objetivo final de la investigación.
1. Fundamento Teórico
Los fenómenos corrosivos, traen consigo la realización prematura de los planes de
mantenimiento planificados y la sustitución de elementos en el sistema, provocando
grandes pérdidas económicas. Por tal motivo es de vital importancia aplicar eficazmente
los métodos de prevención y control de la corrosión.
Tradicionalmente el control de la corrosión se ha logrado mediante predicciones de la
velocidad de corrosión y estimaciones de la protección catódica basadas en métodos
experimentales. Sin embargo, el empleo de estas técnicas a las estructuras reales
involucra extrapolaciones y el uso de grandes factores de seguridad. En los últimos años,
el desarrollo de los sistemas computacionales ha permitido la implementación de los
métodos numéricos, convirtiéndose estos en una poderosa herramienta para la solución
de problemas ingenieriles, representando estos una vía de ahorros de recursos humanos,
materiales y energéticos; además una disminución del tiempo de realización (Diago,
2005), obteniendo resultados con un alto nivel de confianza y elevada exactitud.
1.1. Simulación de la corrosión por métodos numéricos.
Al revisar la literatura especializada se evidencia que los métodos más empleados para la
modelación de la corrosión son:
x Método de diferencias finitas
-2-
________________________Simulación de la corrosión Electroquímica por Métodos Numéricos
-3-
________________________Simulación de la corrosión Electroquímica por Métodos Numéricos
2. Materiales y Métodos.
El objetivo de la modelación por el método de elementos de contorno es caracterizar el
fenómeno corrosivo y determinar la estabilidad del material ante las condiciones a está
sometido, sin tener que recurrir a técnicas experimentales o electroquímicas.
Los pasos realizados durante la modelación siguen el siguiente orden:
1. Establecimiento de las condiciones de fronteras.
2. Discretización del contorno.
3. Cálculo de los valores de potencial o corriente desconocidos en el contorno.
-4-
________________________Simulación de la corrosión Electroquímica por Métodos Numéricos
-5-
________________________Simulación de la corrosión Electroquímica por Métodos Numéricos
colores por intervalos mostrada en el mismo grafico a la derecha, este gradiente es quien
determina el flujo de corriente y en consecuencia la velocidad de corrosión.
-6-
________________________Simulación de la corrosión Electroquímica por Métodos Numéricos
este caso se ha considerado sólo la presencia de una zona catódica y una zona anódica,
en correspondencia con el estudio electroquímico realizado. En la realidad un trozo de
metal está compuesto por múltiples cátodos y ánodos, e incluso estos varían entre sí
como consecuencia de la polarización.
3,5 Y=0,1
Y=0,2
3
Y=0,3
2,5
Y=0,4
2
Y=0,5
1,5 Y=0,6
1 Y=0,7
0,5 Y=0,8
0 Y=0,9
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Y=1
3,5 y=0.1
3 y=0.2
y=0.3
2,5
y=0.4
2
y=0.5
1,5
y=0.6
1 y=0.7
0,5 y=0.8
0 y=0.9
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 y=1
-0,5
Figura 3.3: Variación del error relativo de la distribución de potencial entre el método de
elementos de contorno y el método de elementos finitos.
Como se observa en la comparación con los métodos numéricos de diferencias finitas y
elementos finitos, los valores de errores mínimos se encuentran en el interior del recinto y
tienden a aumentar a medida en que se aproxima al límite, alcanzando los valores
máximos en los puntos más próximos al contorno. Como se mencionó anteriormente, es
normal la aparición de las mayores inexactitudes en puntos próximos al contorno, debido
a que algunas integrales límites se vuelven hipersingulares (Rashed, 2001).
Como patrón de comparación de estos tres métodos se empleó el método de solución
analítica, siendo esta una herramienta superior en cuanto a exactitud con respecto a los
métodos numéricos.
-7-
________________________Simulación de la corrosión Electroquímica por Métodos Numéricos
5 4,719 4,683
Error (%)
3 2,46 Potenciales
1,975 1,83
1,54 Corriente
2
0
MDF MEC MEF
Figura 3.4: Variación del error relativo de la distribución de potencial y de corriente entre
los métodos numéricos y la solución analítica.
Como bien se observa en la Figura 3.4, el método de diferencias finitas obtiene los
resultados más exactos en la variación de potencial, con un error relativo promedio de
1,54% con respecto a la solución analítica, seguido por el método de elementos de
contornos con 1,83% y finalmente el método de elementos finitos con 2,46%, en
reafirmando esto lo expresado en la literatura especializada. Debe notarse que los
cálculos son realizados en un recinto regular razón por la que el método de diferencias
finitas toma ventaja, pero aún bajo estas condiciones el método de elementos de contorno
es la superior al método de elementos finitos, lo que avala su uso en este tipo de
fenómenos.
En cuanto a la distribución de la densidad de corriente (Figura 3.4), el método de
diferencias finitas obtiene los resultados de mayor exactitud, con respecto al método
analítico. El método de elementos finitos obtiene errores ligeramente inferiores
comparándolo con el método de elementos de contornos, sin embargo, en este último es
posible disminuir aún más el error realizando una discretización más fina en los bordes del
dominio.
La exactitud de los resultados obtenidos, demuestran la efectividad del método de
elementos de contorno durante la modelación del fenómeno corrosión. La dificultad de los
métodos de solución analítica y diferencias finitas para trabajar recintos irregulares y el
excesivo gasto computacional del método de elementos finitos durante la modelación de
fenómenos superficiales, hacen efectiva la implementación del método de elementos de
contorno, a pesar de su mayor complejidad matemática.
La velocidad de corrosión fue determinada a través de la pérdida de peso por unidad de
tiempo cuyo valor para el caso en estudio es 0,3537 g / m 2 h , lo que equivale
aproximadamente a una profundidad corrosión de 0,3942mm / año , permitiendo clasificar la
estabilidad del acero AISI 1020 sometido a un ambiente corrosivo de ácido sulfúrico como
reducida, de acuerdo con la norma cubana para la clasificación de la estabilidad de los
materiales a la corrosión, indicando la tendencia del material a corroerse.
-8-
________________________Simulación de la corrosión Electroquímica por Métodos Numéricos
Conclusiones
La posibilidad de modelar el fenómeno corrosivo mediante el método de elementos de
contorno, ha permitido la obtención de resultados precisos, tal y como muestran los
resultados anteriormente descritos, en mucho menor tiempo que en las técnicas
experimentales y electroquímicas sin tener la necesidad de utilizar materiales ni sustancias
que pueden ser dañinas para el cuerpo humano.
La modelación del fenómeno corrosivo por el método de elementos de contorno, permitió
determinar la distribución de potencial en el recinto, así como la densidad de corriente y la
velocidad de corrosión. El cálculo de la velocidad de corrosión permitió determinar que el
acero AISI 1020 presenta una baja estabilidad ante el ácido sulfúrico.
Bibliografía
1. Amador, J. 2006, Uso del método de diferencias finitas en la simulación de un sistema
de protección catódica, [Online], Universidad del Valle (Mexico), Disponible en:
<http://www.uvmnet.edu> [20 de marzo].
2. Amaya, K. y Aoki, S. 2003, 'Effective boundary element methods in corrosion analysis',
Engineering Analysis with Boundary Elements, vol. 7, no. 5, pp. 507-519. Disponible en:
<http://www.sciencedirect.com>.
3. Atay, M. T. y Cos¸kun, S. B. 2008, 'Comparative Analysis of Power-Law Fin-Type
Problems Using Variational Iteration Method and Finite Element Method', Mathematical
Problemsin Engineering, pp. 1-9.
4. DeGiorgi, V. G. 1992, Corrosion basics and computer modeling, [Online], Naval
Research Laboratory, Washington (USA) [19 de abril de 2009].
5. Diago, D. 2005, Simulación de corrosión por métodos numéricos, Tesis de Grado,
Universidad de Matanzas.
6. Durstewitz, C. B., Almeraya-Calderón, F., Nuñez, R., Gaona, C. y Martínez, A. 2005,
'Simulation and Modeling of cathodic protection systems by the finite and the boundary
element method', Portugaliae Electrochimica Acta, vol. 23, pp. 123-137. Disponible en:
<http://www.scielo.oces.mctes.pt>.
7. Fish, J. y Belytschko, T. 2007, A First Course in Finite Elements, Northwestern
University, USA.
8. Geller, Y. A. y Rajshtadt, A. G. 1984, Ciencia de los materiales (Métodos de análisis,
prácticas de laboratorio y problemas), Editorial Metalurgia, Moscú.
9. Hunter, P. y Pullan, A. 2001, FEM/BEM Notes, New Zealand.
10. Hutton, D. V. 2004, Fundamentals of Finite Element Analysis, McGraw-Hill, New York.
11. Jhonson, C.R. 2002, Advanced Methods in Scientific Computing, Salt Lake City, Utah.
12. Kutluay, S. y Esen, A. 2006, 'A Finite Difference solution of the regularized long-wave
equation', Mathematical Problems in Engineering, pp. 1-14.
13. Liu, G.R. y Quek, S.S. 2003, The finite element method: A Practical Course,
Butterworth-Heinemann, Burlington M.A, (USA).
14. Rao, S. S. 2005, The Finite Element method in Engineering, Elsevier Butterworth–
Heinemann, University of Miami, Florida, USA.
15. Weck, O. d. 2007, 'Engineering Desing and Rapid Prototyping', in.
-9-
________________________Simulación de la corrosión Electroquímica por Métodos Numéricos
ANEXOS
Anexo 1: Distribución de potencial (mV) determinado por el método de elementos de contorno.
-526 -526 -526 -526 -526 -526 -526 -526 -526 -526 -526
-392 -466,79 -483,57 -492,90 -497,85 -499,41 -497,85 -492,90 -483,57 -466,79 -392
-392 -443,22 -458,80 -468,69 -474,15 -475,89 -474,15 -468,69 -458,80 -443,22 -392
-392 -426,60 -439,73 -448,82 -454,08 -455,79 -454,08 -448,82 -439,73 -426,60 -392
-392 -413,77 -424,82 -432,77 -437,51 -439,08 -437,51 -432,77 -424,82 -413,77 -392
-392 -403,65 -413,09 -419,96 -424,11 -425,50 -424,11 -419,96 -413,09 -403,65 -392
-392 -395,77 -403,95 -409,89 -413,49 -414,69 -413,49 -409,89 -403,95 -395,77 -392
-392 -389,93 -397,06 -402,18 -405,26 -406,28 -405,26 -402,18 -397,06 -389,93 -392
-392 -386,06 -392,20 -396,51 -399,08 -399,93 -399,08 -396,51 -392,20 -386,06 -392
-392 -384,21 -389,16 -392,58 -394,61 -395,29 -394,61 -392,58 -389,16 -384,21 -392
-392 -392 -392 -392 -392 -392 -392 -392 -392 -392 -392
Anexo 2: Comparación de errores absolutos y relativos en los valores de potencial de los métodos
numéricos con respecto a la solución analítica.
Método
Parámetro
MDF MEC MEF
Promedio de Error (%) 1,54 1,83 2,46
Error absoluto máximo (mV) 35,37 35,50 36,69
Error absoluto mínimo (mV) 0,00 0,00 0,00
Error relativo máximo (%) 7,11 7,13 7,35
Error relativo mínimo (%) 0,00 0,00 0,00
Anexo 3: Distribución de corriente (mA/cm2) determinada por el método de elementos de contorno.
0,8041 0,3224 0,2277 0,1754 0,1478 0,1478 0,1754 0,2277 0,3224 0,8041
0,2684 0,1481 0,1398 0,1300 0,1245 0,1245 0,1300 0,1398 0,1481 0,2684
0,1813 0,1110 0,1107 0,1077 0,1056 0,1056 0,1077 0,1107 0,1110 0,1813
0,1141 0,0887 0,0885 0,0877 0,0872 0,0872 0,0877 0,0885 0,0887 0,1141
0,061 0,0725 0,0713 0,0706 0,0706 0,0706 0,0706 0,0713 0,0725 0,061
0,061 0,0644 0,0599 0,0571 0,0562 0,0562 0,0571 0,0599 0,0644 0,061
0,0198 0,0527 0,0477 0,0446 0,0436 0,0436 0,0446 0,0477 0,0527 0,0198
0,0108 0,0425 0,0370 0,0338 0,0328 0,0328 0,0338 0,0370 0,0425 0,0108
0,0311 0,0336 0,0276 0,0246 0,0238 0,0238 0,0246 0,0276 0,0336 0,0311
0,0408 0,0484 0,0233 0,0111 0,0141 0,0141 0,0111 0,0233 0,0484 0,0408
Anexo 4: Comparación de la corriente de corrosión por métodos numéricos con la solución
analítica.
Densidad de Error
Método corriente relativo (%)
(mA/cm2)
Diferencias Finitas 0,7816 1,975
Elementos de Contorno 0,8041 4,719
Elementos Finitos 0,8038 4,683
Solución Analítica 0,7662 0,000
- 10 -