Corrosión en equipos solares


Por
Juan M. Bermúdez Torres* y Manuel Álvarez González**

 

Metodología para la protección anticorrosiva de equipos solares destinados a su explotación
en las condiciones climáticas cubanas

 

Los equipos solares y máquinas eólicas funcionan expuestos a condiciones permanentes de intemperismo, por lo que reciben influencias directas constantes, climáticas y meteorológicas. Estas condiciones pueden llegar a ser muy severas.

La explotación de esos equipos en Cuba se realiza bajo las condiciones siguientes:
• Temperaturas medias superiores a 25 °C en todo el territorio nacional, con máximas de hasta 35 °C.
• Humedades relativas variables, con valores máximos superiores a 80%.
• Vientos con componentes alisios, básicamente, y probabilidades de huracanes de diversas intensidades en un período importante del año.
• Radiación solar alta, con valores máximos que se acercan a los 1 000 W/m
2.
• Contaminación ambiental con niebla salina (aerosoles marinos), la cual es arrastrada por los vientos hacia el interior y que, por la configuración larga y estrecha de la isla principal y la pequeña superficie del resto de las islas y cayos que forman el archipiélago, atraviesa el territorio nacional, depositándose sobre toda superficie expuesta.


Materiales metálicos utilizados


Los materiales metálicos utilizados con mayor frecuencia en la construcción de equipos solares son:

Aceros al bajo carbono: Por sus costos y propiedades mecánicas, son mayormente utilizados, y presentan baja resistencia a la corrosión, por lo que precisan de tratamiento anticorrosivo obligatorio para las condiciones de explotación previstas (Fig.1).

 
Fig. 1. Los aceros al bajo carbono, como los utilizados en la fabricación
de arietes hidráulicos, presentan baja resistencia a la corrosión,
por lo que precisan de tratamiento anticorrosivo de forma obligatoria.
 

Acero galvanizado: Se utiliza fundamentalmente en forma de laminados planos, y en algunos casos, estructurales (angulares). El galvanizado expuesto a las condiciones de explotación de los equipos solares, se utiliza preferentemente sin «floreado», aplicando adicionalmente el fosfatado, o cromatado, y la pintura. Este material, debido a que encarece la fabricación de los equipos, se utiliza en casos en que se justifique económicamente, y que resulten inadecuados otros materiales.

Aceros inoxidables: Es poco frecuente su uso por sus costos y las dificultades de taller para su conformación. Para su empleo, es requisito esencial tener en cuenta el hecho de que es poco resistente a la niebla salina del mar.

Metales no ferrosos: Son utilizados fundamentalmente en herrajes, tornillerías y algunas construcciones ligeras. Deben emplearse para satisfacer necesidades específicas, atendiendo a sus costos.


Metodología para metales ferrosos

La metodología para la aplicación de recubrimientos anticorrosivos a los equipos solares y máquinas eólicas elaborados con metales ferrosos, puede apreciarse esquemáticamente en la figura 2, específicamente para la aplicación de capas protectoras anticorrosivas a piezas, agregados y equipos de uso en tecnologías de aprovechamiento de las fuentes renovables de energía.

El proceso general consta de dos etapas.

Primera etapa:
Preparación superficial previa
a la aplicación de los recubrimientos


1. Desengrase con solventes orgánicos: Se efectúa por inmersión o aspersión de sustancias como tricloroetileno, tetracloruro de carbono, cloroformo y otros solventes clorados de cadenas cortas. Asimismo, pueden ser usados nafta, gasolina, acetona y otros, aunque estos últimos no son recomendables para su normal utilización, debido a que son inflamables, y por lo general no existen condiciones preparadas para la prevención de accidentes en los talleres.

Posterior al desengrase con solventes orgánicos, se procede a secar las superficies al aire, lo cual ocurre en poco tiempo debido a la volatilidad de las sustancias recomendadas para su empleo.

2. Decapado: Dado que los equipos presentan grandes dimensiones y configuraciones complejas, se descarta la posibilidad de efectuar operaciones mecánicas que garanticen una limpieza superficial eficiente, por lo que es preciso realizar el decapado con pastas decapantes. Para la eliminación de la herrumbre, brinda buenos resultados el empleo de pastas cuyas composiciones se exponen en la tabla 1.

Tabla 1 Composición de las pastas
utilizadas para la eliminación de la herrumbre



Tabla 2 Composición química
del transformador superficial



La pasta se prepara de la forma siguiente: En un recipiente resistente a ácidos se vierte el agua indicada en la formulación, y se añade, en pequeñas porciones, el H
2SO4. El resto de los componentes se agregan, por su orden, en pequeñas porciones, exceptuando la tierra de infusorios, que solamente se adiciona a la porción que se va a preparar para su uso inmediato. La pasta debe tener una consistencia tal que no escurra por la superficie al ser aplicada. El espesor aproximado de la pasta decapante es de 2-3 mm. El tiempo de aplicación para el decapado es de 20-30 minutos, según el estado de la superficie tratada. Si al retirar la pasta en la superficie aún quedan óxidos, se repite la operación. La eliminación de las pastas se efectúa con una espátula y enjuague posterior, o mediante la aplicación de un chorro de agua a presión.

3. Empleo de transformadores superficiales ácidos: Consiste en la aplicación de compuestos que convierten los productos de corrosión presentes en la superficie tratada, en sales protectoras, no perjudiciales a las capas de pintura posteriores. La formulación que se recomienda se aplica con brocha, o a pistola con boquilla resistente a ácidos.

Para la preparación superficial de los equipos pueden emplearse transformadores superficiales comerciales, o un transformador base ácido ortofosfórico a 55%, al cual se le añade lo establecido en la fórmula de polvo de zinc. La reacción para la preparación del transformador superficial se prolonga durante 5-10 horas. En lugar de polvo de zinc puede utilizarse este metal en trozos, limallas, granallas, etc. En esos casos es mejor disolverlo en el ácido puro, y posteriormente diluirlo con agua.

 
Fig. 2. Secuencia tecnológica para la aplicación
de capas protectoras.
 

Para su preparación se toma un litro, o la cantidad necesaria de solución de H3PO4 a 55%, se le añade la cantidad proporcional de zinc metálico, según la formulación anterior, y se deja reaccionar hasta que todo el metal se haya disuelto. La solución preparada de esta forma puede aplicarse sobre la superficie que se debe tratar, transcurridas veinticuatro horas del comienzo de la reacción. La densidad del transformador superficial preparado de esta forma debe estar en el rango de 1,5-1,55 g/cm3, a 20 °C.

Para la explotación de estructuras metálicas expuestas en condiciones atmosféricas, la aplicación del transformador se debe realizar a temperaturas mayores de 15 °C. La presencia de humedad sobre la superficie no interfiere en la aplicación; incluso, se recomienda humedecer la superficie con brocha, o por aspersión, en el momento de aplicar el transformador.

Es preciso tener en cuenta algunas particularidades del transformador de herrumbres sobre la superficie tratada; el tiempo de retención del transformador en muchos casos depende de las condiciones climáticas y meteorológicas; en general, el tiempo de formación de las capas protectoras de fosfatos de hierro y zinc es de 4-6 días para las condiciones de Cuba; la reacción de formación de las capas está acompañada de la liberación de gases en forma de burbujas y la variación de la coloración de la superficie tratada. Primeramente comienza a desaparecer la herrumbre y toma color negro; pasados 2-3 días, se torna color gris, que es el característico de las capas de fosfatos.

La capa de fosfatos, formada producto del tratamiento superficial con el transformador, aunque posee propiedades anticorrosivas intrínsecas, no constituye una protección efectiva durante mucho tiempo, por lo que las superficies tratadas deberán ser recubiertas con otros tipos de capas protectoras antes de haber pasado diez días de aplicado el transformador.

4. Método térmico de limpieza superficial: Consiste en aplicar sobre la superficie una antorcha de oxiacetileno para calentarla. Debido a que los coeficientes de dilatación del metal y los óxidos difieren, al alcanzarse altas temperaturas, los óxidos adheridos a la superficie se agrietan y se desprenden fácilmente mediante la utilización de cepillos de cerdas metálicas.

 
Fig. 3. El control de calidad debe realizarse
durante los procesos de fabricación y montaje.
 

El método térmico de limpieza superficial es el más productivo, debido a que, simultáneamente con los productos de corrosión, se eliminan grasas e impurezas de cualquier tipo presentes en la superficie. Es necesario tener en cuenta que el calentamiento brusco puede provocar deformaciones plásticas de la estructura, o deformaciones en la estructura metalográfica del metal tratado, por lo que es preciso tomar las medidas correspondientes para evitar esos problemas.

Asimismo, el método térmico puede ser utilizado para la eliminación de capas de pinturas deterioradas o defectuosas presentes en las superficies metálicas.



Segunda etapa:
Aplicación de capas protectoras


Los recubrimientos con pinturas a aplicar al equipamiento fabricado para el aprovechamiento de las fuentes renovables de energía, pertenecen al grupo de sistemas protectores resistentes a altas humedades y temperaturas, según Norma NC 12-04-20:95 SNPCC.

Para la nivelación de las superficies a proteger y el tratamiento de las zonas aledañas a las uniones soldadas, se emplean masillas preparadas con resinas orgánicas mezcladas con talco industrial. Debido a que las condiciones de explotación para los equipos solares son «muy severas», los tipos de pinturas utilizadas, tanto para aplicaciones primarias como para los acabados, deben ser resinas, como por ejemplo: epóxicas, poliéster, silicorgánicas, copolímeros de cloruro de vinilo y otras recomendadas por fabricantes especializados. Se recomienda aplicar dos capas de primario y dos o tres capas de acabado. Es importante la conjugación de los primeros y las pinturas de acabado, con vistas a garantizar la adherencia entre ellas. El espesor total de la capa de pintura que se obtenga está en el rango de 60-100 ìm, según Norma NC 12-04-19:81 SNPCC.

Las estructuras, al ser montadas, deberán ser revisadas y retocados los daños que sufran las capas protectoras de pintura durante el traslado y las operaciones que se ejecuten para su puesta en marcha.


Control de calidad

La calidad de las capas protectoras aplicadas a los equipos, se asegura mediante el control de los parámetros siguientes:

Valoración visual de la calidad de los recubrimientos, según Norma NC 12-04-10:79 SNPCC: Se realiza con el fin de comprobar la correcta aplicación de los recubrimientos y la ausencia de defectos, como desprendimientos, manchas, pérdida de brillo, agrietamientos y otros que se aprecien visualmente y atenten contra la calidad de las capas protectoras. Se inspeccionará la totalidad de las estructuras y equipos producidos, tanto al finalizar el proceso fabril, como después de su montaje (Fig. 3).

Para la determinación se realiza un análisis a simple vista con luz natural o artificial en intervalos de iluminación de 500 a 2 000 lx, utilizando fuentes luminosas de gran tamaño y con brillo lo suficientemente bajo para proporcionar condiciones de contraste favorables; la distancia entre el punto de visión y la superficie del objeto debe ser de aproximadamente 25 cm. Se puede, en caso en que sea necesario, utilizar lupas o microscopios.

Determinación del espesor total de las capas protectoras, según Norma NC 12-04-19:81 SNPCC: Para la determinación del espesor del recubrimiento se recomienda el empleo del método electromagnético, siempre que la composición del recubrimiento no incluya partículas magnéticas. El rango de medición del medidor de espesores que se debe utilizar, será de 0 a 2 000 mm. En caso de ausencia del equipo especializado, se empleará como alternativa, y donde la configuración lo permita, un micrómetro. Pueden ser utilizados otros métodos, como el ultrasónico y otros, pero para ello se precisa disponer del equipamiento correspondiente.

El espesor del recubrimiento para las condiciones de explotación indicadas para equipos solares y máquinas eólicas, está en el rango de 60-200 mm.

Determinación de las propiedades protectoras de los recubrimientos, según Norma NC 12-04-20:95 SNPCC: Se establece con el fin de predecir, aproximadamente, el tiempo de vida útil del sistema protector empleado en cada caso. Para la determinación de las propiedades protectoras de los recubrimientos se utiliza un método de ensayos acelerados de corrosión, en cámara de niebla salina.

Determinación de la adherencia del recubrimiento al sustrato, según Norma NC 12-04-18:81 SNPCC:

Método de trazos: Se utiliza para la prueba una muestra testigo elaborada con todos los pasos tecnológicos de preparación superficial, y los tratamientos pre y post recubrimientos sobre el mismo metal base utilizado en la elaboración de la estructura metálica. Con una cuchilla afilada se produce una serie de trazos paralelos y, perpendicularmente, se aplica lo mismo. En todos los trazos deberá tratarse de interesar toda la capa de pinturas hasta el metal base. La evaluación se realiza visualmente, observando si hay desprendimiento de la capa protectora.

Método de doblez doble: La muestra testigo se dobla manualmente hacia un lado y hacia otro. La buena o mala adherencia la indica la exfoliación o no de la capa protectora.
Método de embutición: La muestra testigo es sometida a una operación de embutición con un émbolo esférico. Si existen problemas de adherencia, se observará el desprendimiento de la capa protectora.

Ensayos acelerados en cámara de niebla salina: Paralelamente con los ensayos de determinación de las propiedades anticorrosivas de los sistemas protectores, puede evaluarse la ampolladura que sufre la capa experimental. La aparición temprana o tardía de dichas ampollas brinda evidencias que permiten apreciar el grado de adherencia de los recubrimientos al sustrato, o a las capas subyacentes.


Medidas de protección e higiene del trabajo

En la aplicación de pinturas es preciso tener en cuenta que durante su aplicación se producen altos niveles de contaminación atmosférica en forma de vapores, gases y aerosoles, que resultan tóxicos en su mayoría. El trabajador que realice esa operación está expuesto a esos contaminantes por vía oral o a través de las vías respiratorias, por lo que es preciso crear las condiciones necesarias para evitar dichos problemas. Además de la toxicidad de esos materiales, está el hecho de que en su inmensa mayoría son inflamables, aspecto que ratifica la necesidad de disponer de una atmósfera limpia en el puesto de trabajo.

Con vistas a garantizar la seguridad industrial en las operaciones de aplicación de recubrimientos protectores con pinturas, se observarán las reglas de seguridad siguientes:

1. Solamente estarán autorizados a realizar operaciones en el área de tratamiento superficial, aquellos trabajadores que estén instruidos previamente en las correspondientes reglas de seguridad.
2. El personal que operará en el área, utilizará ropa adecuada para este tipo de trabajo: bata u overol, guantes, delantal, espejuelos y caretas protectoras.
3. La preparación de las mezclas de pinturas deberá efectuarse en sitios con ventilación adecuada; cerca de este lugar se excluye la existencia de fuego de llama abierta.
4. Las operaciones de mezcla y dilución de materiales, entre otras, se realizará con sumo cuidado, tratando de no derramar los productos. Los derrames que se produzcan, se eliminarán de inmediato con los medios necesarios.
5. Todas las vasijas que contengan materiales para el trabajo deberán ser debidamente rotuladas.
6. En caso de que algún diluente u otro material irritante caiga sobre la piel, se tomarán las medidas pertinentes para eliminarlos lo más rápidamente posible.
7. Queda prohibida la presencia en el área de personal ajeno a la misma.
8. En el área deberá existir una zona de fácil acceso, desde cualquier punto, hacia los medios necesarios para sofocar un incendio (pizarra con pico, pala, hacha, caja con arena, extintores de espuma, de polvo o de CO
2, etcétera).

Paralelamente con las medidas de protección e higiene del trabajo señaladas, es necesario el control médico periódico del personal que realiza estas labores.

* Investigador Agregado, del Centro de Investigaciones de Energía Solar (CIES),
Santiago de Cuba.
** Centro de Gestión de la Información y Desarrollo de la Energía (CUBAENERGÍA),
La Habana, Cuba.
e-mail: bermudez@cies.ciges.inf.cu