Corrosión e incrustaciones en los sistemas de distribución de agua potable: Revisión de las estrategias de control

Key Words: Distribution network, potable water, corrosion, incrustations.

Recibido el 01/03/2010 Aceptado el 03/09/2010

INTRODUCCIÓN

Las empresas que prestan el servicio de agua potable son conscientes de la variación que puede sufrir la calidad del agua luego de abandonar la planta de tratamiento, principalmente ocasionado por las condiciones físicas del sistema de distribución debido al tiempo de funcionamiento de la infraestructura y las condiciones de operación (Ríos et al., 2008). Uno de los principales problemas que se presentan en las instalaciones hidráulicas es el de la corrosión en los materiales metálicos, produciéndose perforaciones y obstrucciones de las líneas de agua. También, las estructuras de concreto son susceptibles de sufrir agresiones por mecanismos fisicoquímicos y biológicos donde la corrosión es el elemento de ataque destructivo ( Mora & Cedeño, 2006).

Trujillo et al. (2008), también señalan que la infraestructura hidráulica de distribución de agua para consumo humano suele sufrir importantes problemas de incrustación o corrosión interna y/o externa. La corrosión interna provoca el deterioro de la calidad del agua debido a los productos y contaminantes que se generan, disminuye el desempeño hidráulico y aumenta los costos de distribución y de mantenimiento de la red; en casos extremos, parte de la infraestructura queda inhabilitada temporalmente y por ende, se suspende el servicio. Los fenómenos de corrosión y de incrustación, también están relacionados directamente con la velocidad del agua y el tiempo de retención hidráulico. Específicamente, la alcalinidad, pH y los residuos de desinfectantes son los principales factores que influyen en el proceso de corrosión.

Una vez que se ha determinado la presencia de aguas agresivas o incrustantes, su control requiere la elección de materiales adecuados, un buen programa de monitoreo y mantenimiento, y la modificación de las características químicas del agua. Cuando se trata de adecuar la calidad del agua, el ajuste del pH y la alcalinidad representan los métodos más comunes, simples y económicos para controlar la corrosión e incrustación, destacando la eliminación de dióxido de carbono por aireación o el uso de NaOH, Ca(OH)2, Na2CO3 o NaHCO3. La adición al agua de un álcali como el hidróxido de calcio o de carbonato de calcio, la equilibra de manera inocua, estabilizando el pH ácido causante de la corrosión; desde el punto de vista económico, este método de solución es muy bajo comparado con los costos generados por la rehabilitación de las redes de distribución, además es de fácil aplicación. Para poder establecer los programas de control y los tratamientos adecuados para abatir la corrosión e incrustaciones en los sistemas de distribución, es importante caracterizar cualitativa y cuantitativamente el agua; para lo cual se considera el uso de los índices: de saturacion Langelier, de estabilidad de Ryznar, de corrosión de Riddick, Relación Larson, entre otros (Trujillo et al., 2008).

Es importante conocer los factores que afectan el deterioro físico de los sistemas de distribución de agua potable, y su influencia sobre la calidad del agua suministrada al consumidor, con el objetivo de controlar la corrosión y formación de incrustaciones en la red, y así garantizar que el consumidor obtenga un agua de alta calidad, de acuerdo, a la "Ley Orgánica para la Prestación de los Servicios de Agua Potable y Saneamiento" (Gaceta Oficial Nº 5.568, 2001) y a las "Normas Sanitarias de Calidad del Agua Potable" (Gaceta Oficial Nº 36.395, 1998), a fin de reducir posibles daños a la salud pública.

Cabe señalar que la Constitución Bolivariana de Venezuela (Gaceta Oficial Nº 5.453, 2000). Título III. De los Deberes, Derechos Humanos y Garantías. Capítulo V. De los Derechos Sociales y de las Familias, en su Artículo 83, establece que la salud es un derecho social fundamental, obligatorio del Estado, que lo garantizará como parte del derecho a la vida; y en el Articulo 84, se garantiza el derecho a la salud y la prevención de enfermedades, garantizando tratamiento oportuno y de calidad. También cabe mencionar que el Articulo 6 de la "Ley Orgánica para la Prestación de los Servicios de Agua Potable y Saneamiento" (Gaceta Oficial Nº 5.568, 2001), garantiza la entrega de agua a los usuarios mediante la utilización de tuberías de agua apta para el consumo humano, incluyendo su conexión y medición, así como los procesos de captación, conducción, almacenamiento y potabilización. Igualmente, las "Normas Sanitarias de Calidad del Agua Potable" (Gaceta Oficial Nº 36.395, 1998), en el Capítulo II "De los Aspectos Microbiológicos" y en el Capítulo III "De los Aspectos Organolépticos, Físicos y Químicos" indican los valores máximos aceptados bajo los cuales deben mantenerse los parámetros de calidad para que el agua se encuentre apta para el consumo humano.

La protección de las tuberías contra la formación de incrustaciones se lleva a cabo confiriéndole al agua un carácter ligeramente incrustante, de manera de formar una película aislante sobre las paredes, pero limitando el fenómeno a fin de evitar una obstrucción de los tubos y la alteración de la presión y funcionamiento de la red de agua potable.

Para determinar el carácter agresivo o incrustante del agua en función de la temperatura, pH, dureza, alcalinidad y sólidos disueltos, se ha propuesto un cierto número de índices, siendo el más utilizado el índice de Langelier (IL). A través de este índice se define la agresividad del agua con respecto al carbonato de calcio (CaCO₃). El índice de Langelier está basado en el efecto del pH sobre el equilibrio de solubilidad del CaCO₃. El pH, al cual el agua está saturada con CaCO₃, es conocido como pH de saturación (pHs). Langelier define un índice (IL) igual a la diferencia entre el valor medido del pH del agua y el del pH de saturación:

pH_s=11,017+0,197log(SDT)-0,995log(Ca⁺²_T-0,016log(Mg⁺²)_T -1,041log(Alcalinidad)_T+0,021log(SO^-2₄)_T  Ec-2

Si IL <0, el agua está insaturada, el CaCO₃ tiende a disolverse por lo tanto el agua es agresiva (Varo Galvañ et al., 2004).

Aunque el IL tiende a predecir si el CaCO₃ precipitará o se disolverá, éste no indica que cantidad de la sal precipitará o si su estructura proporcionará resistencia a la corrosión, solo permite determinar la estabilidad y el pH óptimo de un agua. En función de su valor se deben agregar químicos para estabilizar el agua ajustando el pH. El objetivo principal de la estabilización es provocar la precipitación de una capa fina de CaCO3 al interior de las tuberías para evitar la corrosión. El espesor de esta capa debe controlarse para que la tubería de la red de distribución no se obstruya (Letterman, 2001). Un agua estabilizada no disuelve ni precipita CaCO₃, no remueve las incrustaciones de CaCO₃ que puedan proteger a las tuberías contra la corrosión, ni precipitan depósitos de CaCO₃ que puedan obstruirlas (Red Iberoamericana de Potabilización y Depuración del Agua, 2003).

Es importante señalar que aunque el I_L puede estar relacionado con la fuerza que conduce la termodinámica para la deposición, en cierta magnitud, la tasa de los depósitos, algunas veces es más útil para evaluar la masa teórica aproximada del CaCO₃ que podría precipitar sobre la superficie de una tubería. Esta cuantificación es llamada potencial de precipitación del carbonato de calcio o PPCC. La ecuación para su cálculo es:

PPCC = 50.045[Alcalinidad_inicial-Alcalinidad_equilibrio] Ec-3 en unidades de mg CaCO₃/L. Durante la precipitación del CaCO₃, los equivalentes de calcio precipitado deben ser iguales a los equivalentes de la alcalinidad precipitada. Un PPCC positivo denota sobresaturación y los mg de CaCO₃/L que deben precipitar. Un PPCC negativo indica instauración y cuanto CaCO3 debe disolverse. (Loewenthal et al., 2004; Do-Hwan et al.,2008).

El PPCC es el grado actual de sobresaturación del CaCO₃ (si es positivo) o instauración (si es negativo) en miligramos por litro. Si el hidróxido es también expresado en miligramos por litro como CaCO₃, entonces los valores de PPCC – OH mayores que uno indican que más de una molécula de carbonato de calcio se forma por cada molécula de hidróxido generada (Loewenthal et al., 2004; Do-Hwan et al.,2008).

Los índices basados en la saturación del carbonato de calcio, mencionados anteriormente, tales como el Índice de Langelier y el potencial de precipitación del carbonato de calcio, permiten determinar si un agua es estable o no, y si tiene el potencial de precipitación que permite la formación de una capa protectora sobre la superficie metálica. Sin embargo, un agua que cumple con los valores límites de acuerdo a los índices anteriores puede resultar corrosiva. En consecuencia, Ryznar propuso usar un índice empírico para determinar el carácter corrosivo o incrustante de las aguas. Se ha confirmado que el valor de este índice permite determinar el comportamiento del agua. Puede por consiguiente, asegurar la protección de la red, ya que basándose en el valor de este índice y ajustando los valores del pH y del Titulo Alcalimétrico Completo (TAC) del agua en el sistema, se puede obtener así un valor del índice de Ryznar correspondiente a un agua ligeramente incrustante. El índice de Ryznar se define como:

I_R = 2pH_S - pH  Ec-4

Si I_R < 6, indica que el agua es incrustante

Si 6 < I_R > 7, indica que el agua está cercana al equilibrio

Si I_R > 7, indica que el agua es corrosiva. Este índice fue desarrollado de observaciones empíricas de las tasas de corrosión y formación de películas en tuberías principales de acero y agua caliente en serpentines de vidrio, para determinar el carácter corrosivo o incrustante de las aguas (Letterman, 2001)

Cabe destacar que los parámetros más importantes a considerar en la calidad inicial del agua son: la dureza, la alcalinidad y el pH. Si hay valores bajos de dureza se produce deterioro y corrosión en la red por agua agresiva, pudiendo corregirse añadiendo cloruro cálcico, mientras que si los valores de dureza son elevados se formarán incrustaciones, calcificación de los filtros, agua turbia, etc, y deberá corregirse añadiendo sustancias secuestrantes que mantienen el calcio y el magnesio en disolución. Como se ha indicado anteriormente, la alcalinidad del agua viene determinada por la presencia de bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos que actúan como reguladores de los cambios de pH. El intervalo óptimo de pH es 6,8 - 7,2 y se corresponde con una alcalinidad bicarbonatada. Si hay una alcalinidad elevada, puede presentarse dificultades para su ajuste, estar el agua turbia por precipitaciones y presentar un pH alto, mientras que si la alcalinidad es baja se pueden producir fluctuaciones del pH, corrosión y pH bajo. Existen productos comercializados para aumentar y disminuir la alcalinidad total. El pH del agua es fundamental para la efectividad desinfectante de los productos clorados por lo que deberá encontrarse siempre en el rango de valores adecuado (Letterman, 2001).

Las formas más comunes de lograr el control de la corrosión son: seleccionar apropiadamente los materiales del sistema y el diseño del mismo, modificar la calidad de agua con tratamiento químico y usar revestimientos y pinturas resistentes a la corrosión.

Los materiales convencionales para tuberías de redes distribución de agua potable tienen ventajas y desventajas en cuanto al grado de confiabilidad en el tiempo. Cada material posee un grado de vulnerabilidad durante su transporte, instalación y funcionamiento en el tiempo (Avila & Clavijo, 2002). Algunos materiales para tuberías son más resistentes a la corrosión que otros en un ambiente específico. Mientras menos reactivo sea el material con su ambiente tendrá más resistencia a la corrosión. Colocar materiales inadecuados en un servicio de tuberías puede causar serios problemas en la calidad del agua y eso también perjudicaría la inversión realizada. Para proteger las inversiones en la rehabilitación, siempre se debe evaluar el costo considerando el control de la corrosión del sistema de distribución a través de operaciones de limpieza, revestimiento o reemplazo. Pocos servicios pueden seleccionar los materiales basándose solamente en la resistencia a la corrosión; ya que además de este aspecto, la selección de materiales alternativos frecuentemente debe ser evaluada incluyendo el costo, la disponibilidad de uso, la facilidad de instalación y el mantenimiento (Bilurbina et al., 2003).

En todo el sistema se deben usar materiales compatibles. Dos tuberías de metal que tienen diferentes actividades, tales como una de cobre y otra de hierro galvanizado, que llegan a estar en contacto directo con otras pueden establecer una celda galvanizada y causar corrosión. En la medida de lo posible, los sistemas domésticos deben ser diseñados para usar el mismo metal a lo largo de toda la tubería o usar metales que tengan una posición similar en la serie galvánica. La corrosión galvánica se puede evitar colocando acoplamientos dieléctricos (aislantes) cuando están presentes metales diferentes. El servicio de agua potable podría no tener control sobre la selección e instalación de los materiales de plomería domestica, pero no debe pasarse por alto la posibilidad de trabajar sobre la influencia de los códigos de plomería para que sean más compatibles con las opciones de tratamiento de agua disponibles (Letterman, 2001).

El diseño de los tubos y las estructuras pueden ser tan importantes como la selección de los materiales de construcción. Un diseño defectuoso puede causar severa corrosión, aún en materiales que podrían ser altamente resistentes a ella. Primero y principal, la química del agua debe ser utilizada para determinar cuál es el material apropiado. Por ejemplo, muchas aguas de alta alcalinidad con alto contenido de sulfato y un pH de neutro a ligeramente ácido son incompatibles con tuberías de cobre. Muchas aguas suaves son básicamente incompatibles con tubos galvanizados, pero éstos tienen un excelente comportamiento en muchas situaciones de agua dura que a su vez son problemáticas para tubos de cobre (Letterman, 2001).

A continuación, se indican algunas consideraciones de diseño para los sistemas de tuberías de todos los tamaños: evitar las porciones de tuberías con agua estancada; proporcionar un drenaje adecuado; seleccionar una velocidad de flujo apropiada y un espesor del metal adecuado; eliminar las áreas protegidas y reducir las tensiones mecánicas; evitar la distribución de calor irregular, las curvas severas y los codos; proveer un aislamiento adecuado; escoger una forma y geometría apropiadas para el sistema; proveer fácil acceso a la estructura para la inspección periódica, mantenimiento y reemplazo de las partes dañadas; eliminar las conexiones a tierra de los circuitos eléctricos al sistema (Nakamatsu, N., 1997).

Cabe señalar que el control del pH en la potabilización del agua es bien importante, principalmente en:

Cl₂ + H₂O → HOCl → H⁺ + OCl^-

La relación entre el pH y otros parámetros de la calidad del agua, tales como carbono inorgánico disuelto (CID), alcalinidad, dióxido de carbono (CO₂) y la fuerza iónica gobiernan la solubilidad del CaCO₃, la cual está comúnmente relacionada con la formación de una capa protectora en el interior de la superficie de las tuberías. Para fomentar la formación de esta capa protectora, el pH del agua debe estar, por lo general, ligeramente por encima del pH de saturación del CaCO₃. El pH apropiado para cualquier sistema de distribución de agua es específico para cada calidad de agua y materiales del sistema, por lo tanto, solo se puede suministrar lineamientos generales. Si el agua contiene una cantidad moderada de alcalinidad por carbonato y dureza, el personal de la compañía abastecedora debe primero calcular el ISL o el PPCC para determinar a qué pH el agua es estable respecto al CaCO₃. Para comenzar, el pH del agua debe ser ajustado tal que el ISL sea positivo, no más de 0,5 unidades por encima del pHs, o el PPCC debe ser ajustado a un valor ligeramente positivo. Si ninguna otra evidencia está disponible, tal como un buen historial del efecto del pH sobre las capas protectoras de CaCO₃, o resultados de pruebas de campo o del laboratorio, entonces el ISL y/o el PPCC proporcionan un buen punto de partida. Manteniendo el pH sobre el pHs debe causar una capa mezclada protectora en las tuberías principales de hierro fundido. Si no se forman estas capas, el pH debe ser aumentado de 0,1 a 0,2 unidades, o incrementarse el PPCC hasta que una capa protectora comience a formarse. El monitoreo de la estabilidad del pH en el sistema de agua, el agotamiento del residual de cloro y los niveles de turbidez se deben chequear para resolver los problemas buffer o posibles situaciones de "agua coloreada" (Loewenthal et al., 2004).

[Ca⁺²] [CO₃^-2] > 40 Kps CaCO₃ Ec-5

donde Kps CaCO₃ es la constante de solubilidad para la calcita corregida por la fuerza iónica y la temperatura. En los Estados Unidos, se ha recomendado un valor de PPCC de 4 a 10 mg CaCO₃/L, para el control de la corrosión, a un pH de 6,8 a 7,3. Las recomendaciones del balance apropiado de la dureza de calcio y alcalinidad para una protección de la corrosión del sistema de distribución y mantenimiento de la calidad del agua varían. Internacionalmente, las sugerencias caen en el rango de aprox. 40 a 80 mg CaCO₃/L tanto para la dureza de calcio como para la alcalinidad total. (Letterman, 2001).

Algunos metales, como el plomo, zinc y cobre, pueden formar una capa de carbonato insoluble, carbonato básico, óxido o hidróxido, minimizando las tasas de corrosión, y la disolución de estos metales. En aguas con baja alcalinidad, el ión carbonato debe agregarse para formar estos carbonatos insolubles. Para tales aguas, la soda ash (Na₂CO³) o bicarbonato de sodio (NaHCO3) son generalmente los químicos preferidos y usados para ajustar el pH, porque ellos también contribuyen con los iones carbonato (CO₃^-2) o bicarbonato (HCO₃^-). El número de iones carbonato disponibles es una función compleja del pH, temperatura y otros parámetros de la calidad del agua. Estos metales también forman fuertes complejos acuosos de carbonato que aumentan la solubilidad del metal cuando la concentración del CID excede un nivel crítico a un pH dado. El valor exacto de este nivel crítico depende de muchos factores, tales como fuerza iónica, temperatura y la presencia de cationes y ligandos que forman complejos, además del pH. El nivel debe ser calculado, usando las ecuaciones de equilibrio químico apropiadas para determinar la solubilidad del metal para la calidad del agua dada. Frecuentemente el efecto beneficioso del pH pesa más que el efecto de formación de complejos, y se traduce por una reducción neta de desprendimiento del metal (Letterman, 2001).

La presencia excesiva de oxigeno disuelto aumenta la actividad corrosiva del agua. El nivel óptimo de oxigeno disuelto para el control de la corrosión es de 0,5 a 2,0 partes por millón. Sin embargo, retirar el oxigeno del agua no es practico debido al costo. Por lo tanto, la estrategia más razonable para minimizar la presencia del oxigeno es: Excluir el proceso de aireación del tratamiento del agua; incrementar el ablandamiento con cal; extender los periodos de detención de las aguas tratadas en los tanques de almacenamiento y usar el tamaño correcto de bombas de agua en la planta de tratamiento para minimizar la introducción del aire durante el bombeo (National Environmental Services Center, 1997).

El silicato de sodio ha sido usado por más de 60 años para reducir la corrosividad. Su efectividad depende del pH y de la concentración del carbonato. Los silicatos de sodio son particularmente efectivos para sistemas con altas velocidades de agua, baja dureza, baja alcalinidad y un pH menor de 8,4. Típicamente, las dosis de silicato de sodio para un mantenimiento de la protección fluctúan entre 2 a 12 miligramos por litro. También ofrecen ventajas en sistemas de agua caliente debido a su estabilidad química, a diferencia de muchos fosfatos. Antes de instalar alguna tecnología para suministrar inhibidores de corrosión, se deben probar varios métodos o agentes en un medio ambiente de laboratorio para determinar el mejor inhibidor y la concentración para cada sistema (National Environmental Services Center, 1997).

• Inhibidores anódicos, se caracterizan por formar una película protectora sobre las superficies anódicas bloqueando la siguiente reacción electroquímica:

Ejemplos de ellos son: los cromatos, nitritos, fosfatos, molibdatos, silicatos, boratos y benzoatos. Los tanatos y la hidracina actúan también parcialmente de ese modo. Cuando estos productos se usan solos la dosificación debe ser alta (del orden del g/L) para evitar los riesgos de corrosión por picaduras.

Cuando la difusión del oxígeno hacia las zonas catódicas es importante, el hidróxido ferroso se oxida a férrico que coprecipita con CaCO₃ si el contenido en el agua del bicarbonato de calcio es suficientemente elevado. Este proceso ocurre en un rango de pH de 7,0 a 8,5 y asegura la formación de una capa protectora natural, llamada película de Tillmans. En la práctica es esta última la que asegura la protección de la mayoría de las tuberías en las redes de distribución de agua. Para formarse esta capa se deben cumplir las siguientes condiciones: a) concentración en oxígeno disuelto superior o igual a 4,0 – 5,0mg/L; b) contenido en CO₂ libre igual al que corresponde al equilibrio del sistema carbonato; c) alcalinidad bicarbonatada suficiente para sobrepasar el producto de solubilidad del carbonato de calcio en las zonas catódicas (70 a 110 ppm de CaCO₃ equivalente). La probabilidad de que este tipo de protección tenga lugar se determina por el índice de Ryznar (Letterman, 2001).

En conclusión, los fenómenos de corrosión y de incrustación causan deterioro en los sistemas de distribución produciéndose perforaciones y obstrucciones en las tuberías. Estos fenómenos están relacionados con las características fisicoquímicas del agua, así como también con material con el cual el agua entra en contacto, ya que las interacciones entre los materiales de la tubería y el agua pueden causar corrosión. El desarrollo de biopeliculas en un sistema de distribución también puede originar corrosión al proveer un ambiente donde pueden ocurrir procesos fisicoquímicos. Específicamente, la alcalinidad, el pH y los residuos de desinfectantes son los principales factores que influyen en el proceso de corrosión.

La protección de las tuberías contra la formación de las incrustaciones se puede lograr proporcionándole al agua un carácter ligeramente incrustante de forma de crear una película aislante sobre las paredes, pero evitando una obstrucción de las tuberías. Basándose en el valor del Índice de Ryznar y ajustando los valores de pH y de alcalinidad del agua en el sistema, se puede asegurar la protección de la red, obteniéndose así el valor de dicho índice correspondiente a un agua ligeramente incrustante.

Para controlar la corrosión se necesita: seleccionar adecuadamente los materiales del sistema y el diseño apropiado del mismo; realizar un tratamiento químico adecuado para modificar la calidad del agua, tomando en cuenta el pH, alcalinidad, control del oxígeno y los inhibidores químicos; suministrar protección catódica, principalmente para la corrosión externa y usar revestimientos y pinturas resistentes a la corrosión.

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