Analysis of metallic coatings based in zinc-aluminium-magnesium alloys, in terms of performance and long-term corrosion. Case study: Electrical cable trays selection in project design

Abstract

[ES] En los últimos años, se han desarrollado numerosos tipos de recubrimientos superficiales frente a la corrosión basados especialmente en aleaciones de cinc-aluminio-magnesio (conocidas como aleaciones "ZM"), como alternativas a los recubrimientos tradicionales basados en cinc (conocidos como "Z"), con el fin de mejorar sus características técnicas y reducir su coste. Los fabricantes de estos nuevos tratamientos reivindican una mayor resistencia a la corrosión, basándose en ensayos de corrosión acelerada y ensayos de campo, estos últimos de muy pocos años de duración. La presente tesis, tiene como principal objetivo la estructuración y análisis de toda la información existente en el actual estado de la técnica, y en particular, el estudio de los ensayos de campo existentes para corroborar su resistencia a la corrosión en distintos tipos de ambientes y a partir de ello, proponer un modelo matemático que facilite su cálculo a largo plazo. Se presenta una revisión del estado de la técnica de recubrimientos metálicos basados en aleaciones ZM, que cubre su evolución en el tiempo, las diferentes calidades y designaciones existentes en el mercado, su estructura y composición, normas internacionales que los regulan y una detallada investigación sobre ensayos de campo en localizaciones de todo el mundo, habiéndose encontrado ensayos de una duración máxima de 6 años. A partir del análisis de estos ensayos de campo, se propone una Metodología para verificar el rendimiento y la evolución de la función corrosión-tiempo, en los diferentes ambientes de exposición, categorizados a través de la norma internacional ISO 9223 (ISO, 2012), que los denomina "categorías de corrosividad", y que abarcan desde C1 (muy bajo) hasta CX (extremo). Este análisis ha clasificado todos los resultados de los ensayos por material, categoría de corrosividad y evolución a lo largo del tiempo. De esta forma, cada categoría de corrosividad ha sido investigada en profundidad, mediante un análisis estadístico, poniendo especial énfasis en la corrosión anual, medida como pérdida de masa (µm / año), la función corrosión-tiempo y su ajuste a un determinado comportamiento. Se han analizado asimismo los recubrimientos Z con el fin de poder comparar ambas alternativas y corroborar la hipótesis de partida, cuyo supuesto principal es la mayor resistencia a la corrosión de las aleaciones ZM frente a los recubrimientos Z. Este análisis ha sido el punto de entrada, para establecer un modelo matemático que determine el rendimiento de la corrosión a largo plazo, con el fin de proporcionar a los profesionales de proyectos en la ingeniería, una herramienta que permita estimar la resistencia a la corrosión y la optimización del coste de una instalación cuando se utilizan diferentes tipos de materiales. El compendio de todo este análisis se ha reflejado en el apartado de Resultados y comentarios. La referida metodología, se ha aplicado a un caso de estudio para mostrar cómo seleccionar la calidad del recubrimiento y su espesor óptimo, así como un cálculo de costes, con el objetivo de garantizar los requisitos de un determinado proyecto, en términos de resistencia a la corrosión y coste. Las conclusiones finales ponen de manifiesto que existen algunas ventajas de las aleaciones ZM frente a recubrimientos Z, principalmente en lo que respecta a la resistencia a la corrosión, al haber encontrado relaciones que pueden duplicar y triplicar su rendimiento, en los períodos para los que hay datos disponibles. Del mismo modo, se han encontrado algunas desventajas, que deben investigarse más a fondo en futuros trabajos de investigación, para dar continuidad a esta tesis. Por ejemplo, la limitación de estos recubrimientos para lograr grandes espesores, la limitada duración de los ensayos de campo, el rendimiento en partes específicas de los componentes (cortes, embuticiones, doblados, soldaduras...), etc.

[CA] En els últims anys, s'han desenvolupat nombrosos tipus de recobriments superficials enfront de la corrosió basats especialment en aliatges de zinc-alumini-magnesi (conegudes com a aliatges "ZM"), com a alternatives als recobriments tradicionals basats en zinc (coneguts com a "Z"), amb la finalitat de millorar les seues característiques tècniques i reduir el seu cost. Els fabricants d'aquests nous tractaments reivindiquen una major resistència a la corrosió, basant-se en assajos de corrosió accelerada i assajos de camp, aquests últims de molt pocs anys de duració. La present tesi, té com a principal objectiu l'estructuració i anàlisi de tota la informació existent en l'actual estat de la tècnica, i en particular, l'estudi dels assajos de camp existents per a corroborar la seua resistència a la corrosió en diferents tipus d'ambients i a partir d'això, proposar un model matemàtic que facilite el seu càlcul a llarg termini. Es presenta una revisió de l'estat de la tècnica de recobriments metàl·lics basats en aliatges ZM, que cobreix la seua evolució en el temps, les diferents qualitats i designacions existents en el mercat, la seua estructura i composició, normes internacionals que els regulen i una detallada investigació sobre assajos de camp en localitzacions de tot el món, havent-se trobat assajos d'una duració màxima de 6 anys. A partir de l'anàlisi d'aquests assajos de camp, es proposa una metodologia per a verificar el rendiment i l'evolució de la funció corrosió-temps, en els diferents ambients d'exposició, categoritzats a través de la norma internacional ISO 9223 (ISO, 2012), que els denomina "categories de corrosivitat", i que abasten des de C1 (molt baix) fins a CX (extrem). Aquesta anàlisi ha classificat tots els resultats dels assajos per material, categoria de corrosivitat i evolució al llarg del temps. D'aquesta manera, cada categoria de corrosivitat ha sigut investigada en profunditat, mitjançant una anàlisi estadística, posant especial èmfasi en la corrosió anual, mesura com a pèrdua de massa (µm / any), la funció corrosió-temps i el seu ajust a un determinat comportament. S'han analitzat així mateix els recobriments Z amb la finalitat de poder comparar totes dues alternatives i corroborar la hipòtesi de partida, el supòsit principal de la qual és la major resistència a la corrosió dels aliatges ZM enfront dels recobriments Z. Aquesta anàlisi ha sigut el punt d'entrada, per a establir un model matemàtic que determine el rendiment de la corrosió a llarg termini, amb la finalitat de proporcionar als professionals de projectes en l'enginyeria, una eina que permeta estimar la resistència a la corrosió i l'optimització del cost d'una instal·lació quan s'utilitzen diferents tipus de materials. El compendi de tota aquesta anàlisi s'ha reflectit en l'apartat de Resultats i comentaris. La referida metodologia, s'ha aplicat a un cas d'estudi per a mostrar com seleccionar la qualitat del recobriment i la seua grossària òptima, així com un càlcul de costos, amb l'objectiu de garantir els requisits d'un determinat projecte, en termes de resistència a la corrosió i cost. Les conclusions finals posen de manifest que existeixen alguns avantatges dels aliatges ZM enfront de recobriments Z, principalment pel que fa a la resistència a la corrosió, en haver trobat relacions que poden duplicar i triplicar el seu rendiment, en els períodes per als quals hi ha dades disponibles. De la mateixa manera, s'han trobat alguns desavantatges, que han d'investigar-se més a fons en futurs treballs de recerca, per a donar continuïtat a aquesta tesi. Per exemple, la limitació d'aquests recobriments per a aconseguir grans grossàries, la limitada duració dels assajos de camp, el rendiment en parts específiques dels components (talls, embuticions, doblegats, soldadures...), etc.

[EN] In recent years, numerous types of surface corrosion coatings, based especially on zinc-aluminium-magnesium alloys (known as "ZM" alloys), have been developed as alternatives to traditional zinc-based coatings (known as "Z"), to improve its technical characteristics and reduce its cost. The manufacturers of these new treatments claim greater resistance to corrosion, based on accelerated corrosion tests and field tests, the latter lasting only a few years. The main objective of this thesis is the structuring and analysis of all the existing information in the current state of the art, and in particular, the study of the existing field tests to corroborate their resistance to corrosion in different types of environments and based on this, propose a mathematical model that facilitates its long-term calculation. A review of the state of the art of metal coatings based on ZM alloys is presented, which covers their evolution over time, the different qualities and designations existing in the market, their structure and composition, international standards that regulate them and a detailed research on field tests in different locations around the world, having found tests of a maximum duration of 6 years. From the analysis of these field tests, a methodology is proposed to verify the performance and evolution of the corrosion-time function in the different exposure environments, categorized through the international standard ISO 9223 (ISO, 2012), which calls them "corrosivity classes", and which range is from C1 (very low) to CX (extreme). This analysis has classified all the test results by material, corrosivity class and evolution over time. In this way, each corrosivity class has been investigated in depth, through statistical analysis, with special emphasis on annual corrosion, measured as mass loss (µm / year), the corrosion-time function and its adjustment to a certain behaviour. The Z coatings have also been analysed to be able to compare both alternatives and corroborate the main hypothesis, whose main assumption is the greater resistance to corrosion of ZM alloys compared to Z coatings. This analysis has been the entry point to establish a mathematical model that determines the long-term corrosion performance, to provide project engineering professionals, with a tool to estimate the corrosion resistance and optimize the cost of an installation when different types of materials are used. The summary of all this analysis has been reflected in the Results and discussion section. The referred methodology has been applied to a case study to show how to select the quality of the coating and its optimal thickness, as well as a cost calculation, in order to guarantee the requirements of a specific project, in terms of resistance to corrosion and cost. The final conclusions show that there are some advantages of ZM alloys over Z coatings, mainly with regard to corrosion resistance, having found relationships that can double and triple their performance, in the periods for which there are data available. In the same way, some disadvantages have been found, which must be investigated further in future research works, to give continuity to this thesis. For example, the limitation of these coatings to achieve large thicknesses, the limited duration of field tests, the performance of specific parts of the components (cuts, embossments, bends, welds ...), etc.