Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 34, Nº 1, 124 - 138, 2011

Evaluation of duplex coating’ s system in tropical marine environments

Nathalie Romero*, Oladis de Rincón, Miguel Sánchez, Álvaro Rincón, Valentina Millano, Douglas Linares, Orlando Salas y Mirla Serrano

Centros de Estudios de Corrosión, Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia. Apartado postal 526, Maracaibo, Venezuela. Telf: 0261-7598175.natycorrosión@yahoo.com

Abstract

In this work nine different coating systems, from national suppliers, were selected to

perform the evaluation in two severe tropical marine environments. New galvanized profiles

as well as pre-exposed to the same environmental conditions were used as the test probes.

Two different field stations were selected: La Voz and The Cross of Maracaibo Lake.

Additionally, accelerated test were carried out in a station located at Centro de Estudios de

Corrosión (CEC) by using the standard ISO 11474, and in the laboratory (PROHESION

chamber). It is important to emphasize that after more than 36 month-exposure the

behavior of the different coating systems on pre-exposed galvanized was clear, permitting

to select the coating system with the best performance. Nevertheless in the case of new

galvanized probes, after the evaluation period, most of the duplex systems had a very good performance.

Key words: Coatings, duplex, corrosion, tropical marine environmental.

Evaluación de sistemas de recubrimientos duplex en ambientes marinos tropicales

Resumen

En este trabajo se seleccionaron nueve esquemas de diferentes empresas del mercado

nacional, de reconocida trayectoria, para realizar la evaluación en ambientes muy severos,

marinos tropicales. A tal efecto se utilizaron perfiles de acero galvanizado nuevo y ya

expuesto (con corrosión del sustrato), a las mismas condiciones de evaluación. Se

seleccionaron dos estaciones de campo: La Voz y El Cruce del Lago de Maracaibo, ambos

climas marinos tropicales de elevada agresividad. Adicionalmente, se efectuaron ensayos

acelerados en una estación en el Centro de Estudios de Corrosión (CEC), utilizando la norma

ISO 11474, y en el laboratorio (Cámara climática/PROHESION). Cabe destacar que luego de

mas de 36 meses de exposición en las estaciones de campo, el desempeño de los diferentes

esquemas sobre galvanizado ya expuesto se observa claramente definido, pudiendo

seleccionar fácilmente el que muestra un mejor comportamiento. No obstante, para el caso

del galvanizado nuevo, luego de este tiempo de evaluación, no se aprecia tan evidente la

diferencia en el comportamiento; ya que esquemas de recubrimiento con un pobre

desempeño en el galvanizado expuesto presentan un buen comportamiento en ese sustrato, demostrando la eficiencia de los sistemas Duplex.

Palabras clave: Recubrimiento, duplex, corrosión, ambiente marinos tropicales.

Recibido el 30 de Junio de 2006 En forma revisada el 30 de Julio de 2007

Introducción

La mayoría de las estructuras galvanizadas a nivel mundial, expuestas a ambientes marinos

de elevada agresividad presentan signos evidentes de deterioro en corto periodo de tiempo,

como consecuencia de la pobre resistencia del galvanizado a ambientes con elevadas

humedades relativas, altos contenidos de cloruros y en especial fuertes vientos; los cuales

originan un proceso de corrosión por erosión [1]. Debido a esto se hace necesario la

aplicación de sistemas de recubrimiento capaces de alargar la vida útil de las estructuras ya

erigidas y nuevas; siendo los sistemas Duplex (galvanizado, capa intermedia de epoxy y acabado poliuretano) una alternativa a considerar.

Los esquemas de recubrimiento evaluados en este estudio fueron seleccionados de acuerdo

a los resultados obtenidos en el proyecto PATINA (Protección Anticorrosiva de Materiales a

la Atmósfera) perteneciente al subprograma XV del CYTED (Programa Iberoamericano de

Ciencia y Tecnología para el Desarrollo) [2], el cual contó con la participación de 15 países

de la región Iberoamericana, entre los que se encuentra Venezuela. En dicho estudio se

demostró que el mejor esquema de recubrimientos para ambientes marinos de elevada

agresividad, son los que están constituidos con un fondo rico en cinc o galvanizado, capa

intermedia de epoxy y acabado poliuretano. Se ha demostrado [2-5] que en estos

ambientes la velocidad de corrosión esmuyalta, se requieren esquemas de recubrimiento capaces de alargar la vida útil de estructuras expuestas a estos climas.

La finalidad de este estudio consiste en evaluar diferentes esquemas de recubrimiento base

epoxy acabado de poliuretano existentes en el mercado, sobre galvanizado nuevo y

envejecido, mediante ensayos de campo y laboratorio que permitan seleccionar los esquemas de mejor comportamiento.

Metodología

2.1. Substratos metálicos y preparación de las probetas

Para el desarrollo de las pruebas de este estudio se seleccionaron perfiles de 1,0 m de

longitud, semejantes a los utilizados para la construcción de torres de telecomunicaciones y transmisión de energía eléctrica. Los perfiles fueron de:

2.1.1. Acero galvanizado nuevo

Las probetas de acero galvanizado nuevo seleccionadas fueron caracterizadas utilizando

metalografía, y se realizaron medidas de espesor con valores aproximados de 3,2 mils (80µm) (Figura 1).

2.1.2. Acero galvanizado envejecido

Las probetas de acero galvanizado envejecido seleccionadas para el estudio fueron

expuestas por un periodo de 36 meses en El Cruce del Lago de Maracaibo (atmósfera

marina con fuertes vientos/Figura 2). Las mismas presentaron un elevado grado de

corrosión, observándose que en la zona expuesta a los vientos preferenciales ya no existe

galvanizado, debido a la acción erosiva de los vientos sobre los productos de corrosión

(Figura 3). En la cara resguardada de los vientos preferenciales, se encontró corrosión leve

en un 100% de la superficie, con productos de color blanco, característicos del galvanizado

expuesto a ambientes marinos (Figura 3).

2.2. Preparación de superficie

2.2.1. Acero galvanizado nuevo

La preparación de superficie de las 12 probetas galvanizadas, se realizó aplicando la norma

SSPC-SP1 (limpieza con solvente), y luego un lijado suave sobre la superficie con lija de

Carburo de Silicio (CSI) ANSI 200. Se realizaron además mediciones de perfil de anclaje

mediante la técnica de réplica tape, obteniéndose valores promedios de 1,5 mils (38,1 µm).

2.2.2. Acero galvanizado envejecido

A treinta perfiles envejecidos seleccionados para el estudio, se les aplicó un chorreado con

agua a 124 MPa (18000 psi) en base a evaluaciones previas [6]. Se alcanzó un grado de

preparación de superficie WJ-2M según la Norma SSPC-12. Luego se realizaron mediciones

de espesor de galvanizado remanente utilizando metalografía, alcanzándose valores de 0

mils (0 µm) para el área expuesta a los vientos preferenciales y de aproximadamente 0,8 mils (21 µm) en el área resguardada de los vientos preferenciales (Figura 4).

2.3. Sistemas de recubrimiento

Los esquemas seleccionados fueron: epóxico con acabado de poliuretano de seis (6)

diferentes empresas de reconocida trayectoria a nivel nacional. La clasificación se realizó

utilizando letras y números (Tabla 1), debido a que las empresas proporcionaron en muchos

casos más de un esquema. Para la preparación de los diferentes fondos y acabados se

utilizaron las especificaciones técnicas de cada fabricante. Se aplicó una sola mano de cada

recubrimiento por esquema, para lograr analizar el grado de protección del esquema por

mano de aplicación. Además de estos esquemas anteriormente mencionados, se estudió un

recubrimiento de nueva generación acrílico de base agua (E1). Cabe destacar que el

esquema B3 solo fue aplicado sobre galvanizado nuevo, debido a que dicho producto esta

formulado por el fabricante para este tipo de superficie y el esquema E2 fue únicamente

fondo epóxico ya que para el momento de los ensayos el fabricante no disponía del

poliuretano correspondiente (Tabla 1). Los esquemas A1 y B2 no fueron aplicados sobre galvanizado nuevo, según las recomendaciones del fabricante.

2.4. Aplicación de las pinturas

Antes de la aplicación, se dividieron los perfiles en 4 secciones iguales para colocar los

distintos esquemas de recubrimiento. Estos fueron aplicados por triplicado, con brocha, bajo

condiciones controladas, en un área resguardada. Se utilizó brocha debido a que el estudio

fue realizado para la aplicación en zonas donde se presentan fuertes vientos, por lo que el

porcentaje de pérdida sería elevado al ser aplicado por otros métodos, además de la

contaminación al medio ambiente. Solo se aplicó una mano por cada uno de los

recubrimientos.

Durante la aplicación se realizaron medidas constantes de espesor de película húmeda.

Luego del curado se procedió a realizar medidas de espesor de película seca (Tabla 2) e

inspección visual para registrar la existencia o no de fallas. Posteriormente se realizaron

pruebas de adherencia según la norma ISO 4624 obteniéndose valores para todos los

esquemas superiores a 600 psi. Para facilidad en la diferenciación de las superficies

evaluadas, se denominará sistema dúplex solamente a aquellos donde el recubrimiento se aplica sobre el galvanizado nuevo.

2.5. Ensayos de corrosión

2.5.1. Ensayos en las estaciones

Para la realización de los ensayos de campo se contó con dos estaciones de ensayo: una en

La Voz (atmósfera especial, caracterizada por su elevada agresividad y fuerte abrasión

causada por los vientos/Figura 5)[4] y la otra en El Cruce del Lago de Maracaibo (atmósfera marina con fuertes vientos/Figura 6)[5].

Se siguió la norma ISO 2810 para la instalación de los bancos de ensayo, a excepción del

colocado en la estación del Cruce del Lago donde las probetas se dispusieron en forma

vertical ya que se encuentran a 108mdel nivel del Lago de Maracaibo (Figura 6). Todas las

estaciones de ensayo fueron colocadas en dirección de los vientos preferenciales según cada condición meteorológica.

En ambas estaciones se instalaron 7 perfiles de galvanizado envejecido y 4 de acero

galvanizado nuevo. A todos los perfiles se les realizó incisión de aproximadamente 4 cm de

longitud, a 2 cm del borde inferior.

2.5.2. Ensayos acelerados

Se efectuaron dos tipos de ensayos:

– Ensayo utilizando la norma ISO 11474: A tal efecto, se colocó un banco de ensayos en el

Centro de Estudios de Corrosión donde se colocaron 7 perfiles envejecidos, dos perfiles galvanizados recubiertos y dos perfiles de acero recubiertos, todos con incisión.

– Ensayos acelerados en cámara climática (PROHESION): Para estas pruebas se

programaron dos fases de 12 horas cada una (clima y niebla salina). La solución salina se

preparó según la norma ASTM G-85-94 y las condiciones de clima fueron 38°C y 80% de

humedad relativa, lo cual se corresponde con el promedio anual en la estación del Cruce del

Lago de Maracaibo. Para la fase de neblina se colocó la cámara a 37°C y una temperatura

de saturación de 50°C. Dentro de la cámara sólo se evaluaron 5 perfiles de galvanizado

envejecido con los diferentes recubrimientos.

2.6. Evaluación de los recubrimientos

Los recubrimientos se evaluaron utilizando las normas ISO y ASTM (Tabla 3), realizando

inspecciones mensuales por un periodo de 36 meses para las estaciones del Cruce del Lago

de Maracaibo y La Voz. Para el caso del rociado salino se evaluó de igual manera que para

los ensayos de campo y en la cámara PROHESION durante 172 ciclos equivalente a un

periodo de 4128 horas.

Resultados y Discusión

3.1. Evaluación del desempeño de los recubrimientos en cada uno de los ensayos

3.1.1. Exposición en las estaciones El Cruce del Lago de Maracaibo y La Voz

Luego de exponer los distintos esquemas de recubrimiento por un período de 36 meses en

la estación del Cruce del Lago de Maracaibo y en La Voz, los esquemas sobre acero

galvanizado envejecido, que presentaron mayor grado de corrosión en la superficie y la

incisión alcanzando valores promedio superiores a Ri5 (Figura 7) y ampollamientos cercanos

a 5(S5) (en la incisión), fueron los identificados como F1, A1 y A2. Los esquemas que

presentaron un mejor comportamiento son: E2, D3 y B2. El esquema E2 aún cuando se

encuentra constituido únicamente por fondo presenta el mejor desempeño en comparación

con los demás esquemas, debido a esto se realizó un análisis de los recubrimientos,

mediante un Microscopio Electrónico de Barrido utilizado la Técnica de análisis químico

elemental (EDS), donde se determinó que el recubrimiento E2 posee un mayor porcentaje

de Aluminio (25,6%) en comparación con los demás, los cuales se encontraron entre un

rango de 9% y 1% [9]. Cabe destacar que durante los primeros meses de evaluación, el B1

fue uno de los esquemas en presentar muy buen comportamiento, pero luego de 24 meses

presentó un elevado grado de fisuramiento (4(S4)c) y posterior exfoliación en la incisión,

debido a la rigidez del esquema, la cual fue incrementada por la acción de la luz ultravioleta

y a la presión ejercida por los productos de corrosión del acero base (Figura 8). Este

esquema puede ser inadecuado debido a que donde se genere un defecto, el recubrimiento

se fisurará y exfoliará disminuyendo drásticamente su vida en servicio.

La mayoría de los esquemas aplicados sobre perfiles galvanizados nuevos presentaron un

buen desempeño, sin observarse aun corrosión del acero base, por lo que al realizar las

inspecciones, se reportó el grado de corrosión según los productos de corrosión del

galvanizado (Figura 9). Pero cabe destacar que el esquema B3 se conserva casi intacto en

las dos estaciones (Figura 10). El B1, al igual que en el caso anterior, sufrió un elevado grado de fisuramiento y posterior exfoliación.

3.1.2. Ensayos acelerados

(Cámara PROHESION y Centro de Estudios de Corrosión) Las condiciones internas de la

cámara PROHESION se mantuvieron constantes durante toda la prueba. Luego de 45 ciclos

(1080 horas), ya se observaron resultados donde se evidencia que el esquema E2 es el que

presenta el mejor comportamiento seguido del esquema B1 sobre superficie de acero

galvanizado ya expuesto. En este ensayo no se observó la misma falla presente en los

ensayos de campo sobre este último esquema, confirmando la importancia de la radiación

ultravioleta en el desempeño de algunos esquemas de recubrimiento.

Luego de 172 ciclos (4128 horas) de exposición, se mantuvo el mismo comportamiento

siendo los esquemas E2 y B1 los de mejor desempeño (Figuras 11 y 12) seguido de los

esquemas A1, D3 y G1. Los esquemas que presentaron un bajo desempeño, desde los

inicios del ensayo, fueron el E1 y F1, los cuales muestran corrosión y ampolladura severa en la incisión sobrepasando las escalas de las normas.

En la Estación del CEC, la inspección visual de los perfiles de acero galvanizado nuevos y

previamente expuestos muestran, desde los primeros dos meses de evaluación, resultados

determinantes sobre el comportamiento de los distintos esquemas; demostrándose

nuevamente la eficiencia de los esquema E2, D3 y B2 para el caso del acero galvanizado ya

expuesto y el esquema B3 sobre galvanizado nuevo. Al igual que en los ensayos de campo,

se pudieron evidenciar las fallas por fisuramiento y exfoliación del esquema B1, dada su exposición a la radiación solar y vientos.

3.2. Evaluación global

Si se comparan los resultados obtenidos en las estaciones de campo, se demuestra que los

mejores recubrimientos sobre acero galvanizado ya expuesto fueron los esquemas E2, D3 y

B2 y sobre acero galvanizado nuevo fue el B3; siendo los de peor desempeño para este

último material, los esquemas F1, A1 y A2. Cabe destacar que el esquema B3 fue aplicado

únicamente sobre acero galvanizado nuevo, por recomendaciones del fabricante del

producto. Al comparar el desempeño de todos los esquemas sobre las distintas superficies

en estudio, el de los sistemas duplex es mejor debido a la uniformidad y espesores del

galvanizado sobre toda la superficie del acero base, lo cual brinda una mayor protección a éste.

Estos resultados son similares a los obtenidos en los ensayos acelerados luego de 45 ciclos

para la cámara PROHESION y de dos meses para el CEC (ISO 11474). Cabe destacar que

aun cuando el grado de deterioro es mayor en los ensayos acelerados (lo cual se espera

debido a la agresividad del ensayo), el comportamiento relativo entre los diferentes

esquemas es el mismo, independiente del ensayo.

Para evaluar el comportamiento de los esquemas, en los diferentes ensayos, se construyó

una tabla dándole un peso a cada propiedad evaluada de la siguiente manera: Malo (1),

Deficiente (2), Regular (3), Bueno (4) y Excelente (5), para posteriormente sumar cada uno

de los factores y aquel que proporcione el mayor resultado será considerado el mejor

esquema de recubrimiento. Las Tablas 4 y 5 muestran los resultados comparativos de cada

uno de los esquemas sobre galvanizado envejecido y galvanizado nuevo, donde se aprecia

claramente poca diferencia en cuanto al desempeño entre cada una de las estaciones. No

obstante, es importante destacar que en estos ambientes tropicales, dadas las altas

radiaciones solares y gradientes de temperatura, el ensayo ISO 11474 es una excelente

alternativa. Aún cuando los resultados se obtienen a más largo plazo que con la cámara

PROHESION, los mismos son más confiables ya que los esquemas están expuestos a la luz

ultravioleta y abrasión de los vientos, condiciones que en la cámara son difíciles de simular.

Conclusiones

Los sistemas duplex son una excelente alternativa para la protección de estructuras erigidas en ambientes marinos de elevada agresividad.

Los recubrimientos en brindar el mejor desempeño sobre galvanizado envejecido, luego de

36 meses de exposición, son los esquemas E2, D3, B2.

El esquema en brindar el mejor desempeño sobre galvanizado nuevo, luego de 36 meses de exposición, es el B3.

Los esquemas de recubrimiento que presentan un pobre desempeño sobre acero

galvanizado envejecido, muestran un buen comportamiento sobre acero galvanizado nuevo, debido a la uniformidad del recubrimiento de cinc sobre toda la superficie del acero base.

Es necesario, aun cuando se cuenta con información de los mejores esquemas, realizar una

evaluación integral que permita seleccionar los productos más adecuados a cada condición en particular (en especial en ambientes erosivos).

Los ensayos acelerados son una alternativa que permite efectuar una selección adecuada de esquemas de recubrimiento, pero no son sustitutivas de los ensayos de campo.

Referencias Bibliográficas

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