Corrosión de electrodos de puesta a tierra

Los metales en contacto directo con el suelo o el agua (electrolitos) pueden sufrir corrosión por causa de corrientes parásitas, suelos corrosivos y la formación de celdas voltaicas. No es posible proteger los electrodos de puesta a tierra de la corrosión encerrándolos completamente, es decir, separando los metales del suelo, pues todas las vainas habituales que se emplearon hasta ahora han presentado una alta resistencia eléctrica y, por lo tanto, invalidan el efecto de los electrodos de puesta a tierra.
Los electrodos de puesta a tierra fabricados con un material uniforme pueden verse amenazados por la corrosión proveniente de los suelos corrosivos y la formación de celdas de concentración. El riesgo de corrosión de los suelos corrosivos depende del material y del tipo y de la composición del suelo.

Cada vez aumentan más los daños por corrosión debido a la formación de celdas voltaicas. Esta formación de celdas entre diferentes metales con potenciales de metal/electrolitos ampliamente diferentes se conoce desde hace muchos años. Sin embargo, lo que no se sabe extensivamente es que las armaduras de fundaciones de hormigón también pueden convertirse en el cátodo de una celda y, así, causar corrosión a otras instalaciones. Con los cambios en la manera de construir edificios —estructuras de hormigón armado más grandes y áreas de metal libre más pequeñas en tierra— la relación de superficie ánodo/cátodo es cada vez más desfavorable y el riesgo de corrosión de los metales más básicos se incrementa inevitablemente.
La aislación eléctrica de las instalaciones que actúan como ánodos para evitar la formación de estas celdas solo es posible en casos excepcionales. Hoy en día, el objetivo es integrar todos los electrodos de puesta a tierra, incluidas las instalaciones de metal conectadas a tierra para poder lograr la conexión equipotencial y, en consecuencia, la máxima seguridad contra tensiones con riesgo de choque por fallas o impactos de rayos.
En las instalaciones de alta tensión, los electrodos de puesta a tierra de protección contra alta tensión cada vez más se conectan a electrodos de puesta a tierra que operan a baja tensión, conforme la norma HD 63751. Asimismo, las normas IEC 60364-4-41 (2005) y HD 60364-41(2007) requieren de la integración de conductos y demás instalaciones en las medidas de protección contra riesgo de choque eléctrico. Así, la única manera de prevenir o, por lo menos, reducir el riesgo de corrosión de los electrodos de puesta a tierra y demás instalaciones en contacto con ellos es elegir materiales adecuados para la fabricación de electrodos de puesta a tierra.
La norma DIN VDE 0151 titulada “Material y dimensiones mínimas de electrodos de puesta a tierra respecto de la corrosión” está a disposición desde junio de 1986 como documento oficial. Además de décadas de experiencia en el campo de la tecnología de puesta a tierra, esta norma incluye, también, los resultados de exámenes preliminares extensivos. Están disponibles muchos resultados interesantes que son importantes para los electrodos de puesta a tierra, incluidos los de los sistemas de protección contra rayos.
A continuación, se explican los procesos fundamentales que llevan a la corrosión. De los conocimientos adquiridos por el grupo de trabajo VDE “materiales de la puesta tierra” se derivan las medidas prácticas anticorrosivas y de conservación del buen estado del material, especialmente en lo que respecta a los electrodos de puesta tierra para la protección contra las descargas atmosféricas.

Los procesos de corrosión pueden explicarse claramente con la ayuda de una celda voltaica. Si, por ejemplo, se sumerge una varilla de metal en un electrolito, los iones con carga positiva pasan al electrolito y, a la inversa, los iones positivos se absorben del electrolito desde la banda de metal. En este contexto, se habla de presión de la solución del metal y de presión osmótica de la solución.
Dependiendo de la magnitud de ambas presiones, o bien, los iones de metal de la varilla pasan a la solución (por lo que la varilla se convierte en negativa respecto de la solución) o los iones del electrolito se agrupan en grandes números en la varilla (la varilla se torna positiva respecto del electrolito). Así, se crea una tensión entre dos varillas de metal en el electrolito.

En la práctica, los potenciales de los metales en tierra se miden con la ayuda de un electrodo de sulfato de cobre. Ello consiste en una varilla de cobre que se sumerge en una solución saturada de sulfato de cobre (el potencial de referencia de este electrodo de referencia permanece constante).
Considérese el caso de dos varillas fabricadas con diferentes metales que se sumergen en el mismo electrolito: se crea ahora una tensión de determinada magnitud en cada varilla del electrolito. Puede utilizarse un voltímetro para medir la tensión entre varillas (electrodos), esta es la diferencia entre los potenciales de los electrodos individuales respecto del electrolito. ¿De qué manera surge ahora que la corriente fluye en el electrolito y, por lo tanto, que el material se transporta, es decir, se produce la corrosión?
Si, según se muestra en este documento, los electrodos de cobre y hierro se conectan mediante un amperímetro fuera del electrolito, por ejemplo, se verifica lo que muestra la figura 2, en el circuito exterior, la corriente i fluye de positivo (+) a negativo (-), es decir, del electrodo de cobre “más noble" de acuerdo con la tabla 1, al electrodo de hierro.
Por otro lado, en el electrolito, la corriente i debe fluir del electrodo de hierro “más negativo” al electrodo de cobre para cerrar el circuito. A modo de generalización, ello significa que del polo más negativo pasan los iones positivos al electrolito y, por lo tanto, se convierte en el ánodo de la celda voltaica, es decir, se disuelve.
La disolución del metal tiene lugar en estos puntos, donde la corriente ingresa al electrolito. También puede surgir una corriente de corrosión a partir de una celda de concentración (figura 3). En este caso, dos electrodos del mismo tipo de metal se sumergen en diferentes electrolitos. El electrodo en el electrolito II que tiene la mayor concentración de iones de metal se torna eléctricamente más positivo que el otro. La conexión de ambos electrodos permite que la corriente i fluya y el electrodo, que es más negativo desde el punto de vista electroquímico, se disuelva.
Puede formarse una celda de concentración de este tipo, por ejemplo, por dos electrodos de hierro, uno de los cuales se fija en el hormigón; mientras el otro queda en tierra (figura 4).

Al conectar estos electrodos, el hierro en el hormigón se convierte en el cátodo de la celda de concentración y el que se queda en tierra se convierte en el ánodo; por lo tanto, este último se destruye por pérdida de iones.
Para la corrosión electroquímica, el caso generalmente es que, cuanto más grandes son los iones y menor es su carga, mayor es el transporte de metal asociado al flujo de corriente i (es decir, i es proporcional a la masa atómica del metal).

En la práctica, los cálculos se realizan con corrientes que fluyen durante un período de tiempo determinado, a saber, un año. La tabla 1 indica valores que expresan el efecto de la corriente de corrosión (densidad de corriente) en términos de la cantidad de metal disuelto. Así, las mediciones de la corriente de corrosión posibilitan el cálculo por adelantado de cuántos gramos de un metal erosionarán durante un período de tiempo específico.
Sin embargo, de más interés práctico es la predicción de si, y durante cuánto período de tiempo, la corrosión causará orificios o picaduras por corrosión en los electrodos de puesta a tierra, tanques de acero, caños, etc. Por lo tanto, resulta importante si el ataque de la corriente presunta tendrá lugar de manera difusa o puntiforme.
Para el ataque corrosivo, no es solo la magnitud de la corriente de corrosión la que resulta decisiva; sino también y en especial, su densidad, es decir la corriente por unidad del área de descarga.
A menudo no se puede determinar directamente esta densidad de corriente. En esos casos, se maneja con mediciones de potencial desde los cuales puede tomarse el grado de polarización disponible. El comportamiento de los electrodos respecto de la polarización solo se debate superficialmente en este documento.
Considérese el caso de un fleje de acero galvanizado situado en tierra y conectado a la armadura de acero (negro) de una fundación de hormigón (figura 5). De acuerdo con nuestras mediciones, se producen aquí las siguientes diferencias de potencial respecto del electrodo de sulfato de cobre:

Así, existe una diferencia de potencial de seiscientos milivolts entre estos dos metales. Si ahora se los conecta sobre tierra, fluye una corriente i en el circuito exterior desde el hormigón armado hasta el acero en la arena y en el suelo desde el acero en la arena hasta el acero en el refuerzo. La magnitud de la corriente i es ahora una función de la diferencia de tensión, la conductancia del suelo y la polarización de los dos metales.
Por lo general, se observa que la corriente i en tierra es generada por cambios en el material. Sin embargo, un cambio en el material también significa que la tensión de los metales individuales cambia respecto del suelo. Esta variación de potencial causada por la corriente de corrosión i se denomina polarización. La resistencia de la polarización es directamente proporcional a la densidad de la corriente. Ahora, los fenómenos de polarización tienen lugar en los electrodos negativos y positivos. Sin embargo, las densidades de corriente en ambos electrodos son muy diferentes.
A modo de ilustración, consideraremos el siguiente ejemplo: se conecta un caño de gas, de acero, con una buena aislación en tierra a electrodos de cobre de puesta a tierra. Si el caño con aislación solo posee unos pequeños puntos donde falta material, existe una mayor densidad de corriente en estos puntos como resultado de la corrosión rápida del acero. En oposición, la densidad de corriente es baja en el área más grande de los electrodos de puesta a tierra de cobre donde ingresa la corriente. Así, la polarización es mayor en el conductor de acero aislado más negativo que en los electrodos de puesta a tierra de cobre positivos. El potencial del conductor de acero cambia a valores más positivos. Así, también disminuye la diferencia de potencial entre los electrodos. Por lo tanto, la magnitud de la corriente de corrosión es también una función de las características de polarización de los electrodos.
La resistencia de polarización puede estimarse midiendo los potenciales de los electrodos de un circuito dividido. El circuito se divide para evitar la caída de tensión en el electrolito. Por lo general, para dichas mediciones se utilizan instrumentos de registro, pues frecuentemente existe una rápida despolarización inmediatamente después de interrumpida la corriente de corrosión.
Si ahora se mide la fuerte polarización en el ánodo (el electrodo más negativo), es decir, si hay un cambio obvio a potenciales más positivos, habrá un alto riesgo de corrosión del ánodo.
Volvamos a nuestra celda de corrosión–acero (desnudo) en hormigón/acero, galvanizado en la arena (figura 5). Respecto de un electrodo de sulfato de cobre distante, es posible medir un potencial de celdas interconectadas de entre -200 y -800 milivolts. El valor exacto depende de la relación del área anódica a catódica y de la polarizabilidad de los electrodos. Si, por ejemplo, el área de la fundación de hormigón armado es muy grande en comparación con la superficie del conductor de acero galvanizado, se producirá en el último una densidad de corriente anódica alta, que se polariza a prácticamente el potencial de la armadura de acero y se destruye en un período de tiempo relativamente corto. Así, la polarización positiva alta siempre indica un mayor riesgo de corrosión.
En la práctica, obviamente es ahora importante conocer el límite sobre el cual un cambio de potencial positivo significa un riesgo agudo de corrosión. Lamentablemente, no es posible indicar un valor definitivo que se aplique en cada caso; los efectos de las condiciones del suelo solamente son demasiado diversas. Sin embargo, es posible estipular campos de cambios de potencial para suelos naturales.

Una polarización por debajo de veinte milivolts, por lo general, no es peligrosa. Los cambios de potencial que exceden los cien milivolts son definitivamente peligrosos. Entre veinte y cien milivolts, siempre habrá casos en los que la polarización causará fenómenos de corrosión considerables.
Resumiendo, se puede estipular que la condición previa para la formación de celdas de corrosión (celdas voltaicas) es siempre la presencia de ánodos y cátodos de metal conectados y electrolíticos que cierran el circuito conductivo.
Los ánodos y cátodos se forman a partir de a) materiales: diferentes metales o diferentes condiciones de superficies de un metal (corrosión por contacto), diferentes componentes estructurales (corrosión selectiva o intercristalina); b) electrolitos: diferente concentración (por ejemplo, salinidad, ventilación).
En las celdas de corrosión, los campos anódicos siempre poseen un potencial de metal/electrolito más negativo que los campos catódicos.
Los potenciales de metal/electrolito se miden utilizando un electrodo de cobre/sulfato de cobre saturado montado en los alrededores inmediatos del metal en el suelo o sobre este. Si existe una conexión conductora de metal entre el ánodo y el cátodo, la diferencia de potencial produce una corriente de continua en el electrolito que pasa desde el ánodo y se introduce en el electrolito disolviendo el metal antes de reingresar al cátodo.
Con frecuencia se aplica la regla de superficie para estimar la densidad de corriente anódica promedio I_A:

I_A = (U_C − U_A)/φC (A_K/A_A) en A/m²

La resistencia de polarización es la relación de la tensión de polarización y la corriente total de un electrodo mixto (un electrodo donde tiene lugar más de una reacción de electrodo).
En la práctica, es posible determinar las tensiones de excitación de celda UA - UC y el tamaño de las superficies AC y AA como una aproximación para estimar la tasa de corrosión. Sin embargo, los valores de φA (resistencia de polarización específica del ánodo) y φC no están disponibles en grado suficiente de precisión, sino que dependen de los materiales de los electrodos, los electrolitos y las densidades de corriente anódica y catódica.
Los resultados de los exámenes disponibles hasta ahora permiten concluir que φA es mucho más pequeño que φ_C.
Para φ_C se aplica lo siguiente:

Sin embargo, a partir de la regla de superficie, resulta claro que los fenómenos poderosos de corrosión tienen lugar tanto en conductores y tanques de acero confinados con una capa protectora que poseen pequeños puntos en la capa donde falta material, conectados a electrodos de puesta a tierra de cobre y, además, en conductores de puesta a tierra de acero galvanizado conectados a sistemas de puesta tierra extendidos de cobre o fundaciones de hormigón armado extremadamente grandes.
Al seleccionar materiales adecuados, es posible evitar o reducir el riesgo de corrosión de los electrodos de puesta a tierra. Para lograr una vida útil satisfactoria, se deben mantener las dimensiones mínimas del material (tabla 3).

La tabla 3 es una compilación de los materiales de los electrodos de puesta a tierra y de las dimensiones mínimas que habitualmente se emplean en la actualidad.

La densidad de corriente de la celda resultante de la combinación de dos metales diferentes instalados en tierra para ser eléctricamente conductores lleva a la corrosión del metal que actúa como ánodo (tabla 2). Ello depende, en esencia, de la relación de la magnitud del área catódica AC con la magnitud del área anódica AA.
El proyecto de investigación titulado “Comportamiento de la corrosión de los materiales de los electrodos de puesta a tierra" ha descubierto lo siguiente respecto de la elección de los materiales de los electrodos de puesta a tierra, particularmente en lo que respeta a la combinación de diferentes materiales: se espera un mayor grado de corrosión si la relación de las superficies es AC/AA > 100.
Por lo general, se puede suponer que el material con el potencial más positivo será el cátodo. El ánodo de una celda de corrosión realmente presente puede ser reconocido por el hecho de que posee el potencial más negativo al abrir la conexión conductora del metal.
Para la conexión de instalaciones de acero en el suelo, los siguientes materiales de electrodos de puesta a tierra se comportan siempre como cátodos en los suelos (de cobertura):

Las armaduras de acero de las fundaciones de hormigón armado pueden tener un potencial muy positivo (similar al del cobre), por lo tanto, los electrodos de puesta a tierra y los conductores a tierra conectados directamente a las armaduras de grandes fundaciones de hormigón armado deben ser de acero inoxidable o de cobre. Ello también se aplica particularmente a los cables de conexión cortos en las proximidades inmediatas de las fundaciones.

Según se sabe, es posible interrumpir la conexión conductora entre sistemas con potenciales muy diferentes instalados en tierra mediante la integración de vías de chispas de separación. Normalmente, ya no es posible que fluyan corrientes de corrosión.
En sobretensiones inminentes, la vía de chispa de separación opera e interconecta las instalaciones durante el tiempo que duran las sobretensiones. Sin embargo, este tipo de vías no debe instalarse para electrodos de puesta a tierra operativos y de protección, pues estos siempre deben estar conectados a la planta.

Los cables de conexión de acero galvanizado de electrodos de puesta a tierra de fundación a bajadas estarán instalados en hormigón o en mampostería hasta por encima de la superficie de la tierra.
Si los cables de conexión corren subterráneamente, el acero galvanizado debe estar embebido en hormigón o en vainas sintéticas o, alternativamente, se deberán utilizar orejetas de conexión con terminales de conexión a tierra de cable NYY, o terminales de acero inoxidable de toma de tierra.
Dentro de la mampostería, los conductores de tierra pueden ser llevados hacia arriba, sin protección anticorrosiva.

Las entradas de tomas de tierra de acero galvanizado deben estar protegidas contra la corrosión por una distancia mínima de 0,3 milímetros por encima y por debajo de la superficie de la tierra.
Por lo general, los recubrimientos de brea no bastan. Las vainas que no absorben humedad ofrecen protección, por ejemplo, las fajas de caucho de butilo o fundas termocontraíbles.

Las superficies de corte y puntos de conexión en el suelo deben estar diseñados de manera tal de garantizar que la resistencia a la corrosión en la capa de protección anticorrosiva del material del electrodo de puesta a tierra sea la misma para ambos. Por lo tanto, los puntos de conexión en el suelo deben estar equipados con el revestimiento adecuado, por ejemplo, recubiertos con una banda anticorrosiva.

Al rellenar zanjas y hoyos para instalar electrodos de puesta a tierra, los trozos de escoria y carbón no deben entrar en contacto inmediato con el material del electrodo de puesta a tierra; lo mismo se aplica a los desechos de construcción.