“Vigilante Celestial” El Ángel del Norte

Autor:  Ing. Gustavo Romero, LATAM Director, PENSPEN. 25 abril 2022.

“Turismo en Corrosión, un viaje para conocer acerca de la belleza e importancia de la
corrosión en estructuras icónicas”

Esta vez nos dirigimos al noreste de Inglaterra (Reino Unido) específicamente a Gateshead, condado de Tyne y Wear cuya capital es Newcastle, para hablar sobre una estructura icónica relativamente nueva, conocida como El Ángel del Norte. Si vas por la autopista que une Londres con Escocia (Durham Rd) puedes observarlo con sus alas extendidas como un vigilante del campo Nortumbrio. Tiene una altura de 20 metros y sus alas miden 54 metros de extremo a extremo. Se encuentra a unos 15 km de las costas del mar del norte ( Figura 1).

Lo que hace especial a este monumento además de sus impresionantes dimensiones y proceso de construcción, desde el punto de vista de un corrosionista, es el material utilizado. En este caso el material seleccionado fue acero para intemperie cuya composición química hace que su oxidación, una vez que comienza la corrosión atmosférica, tenga características particulares de protección que mantienen a las propiedades mecánicas de la estructura prácticamente intactas por mucho tiempo. Este tipo de acero es conocido como COR-TEN, el cual fue patentado por la United States Steel Corporation en 1933 y cuyo su nombre se debe a sus propiedades de resistencia a la corrosión y resistencia mecánica.
Siempre que me interesa alguna estructura trato de investigar sobre su razón de ser, es decir ¿por qué un ángel? y no otro símbolo, ¿por qué con las alas extendidas? y no en otra posición y en este caso, utilizare las palabras del mismo escultor quien textualmente explica que nunca hemos visto un ángel de verdad y tenemos que seguir imaginándolos. Este ángel tiene tres funciones: en primer lugar, una histórica para recordar que debajo de este sitio los mineros del carbón trabajaron en la oscuridad durante doscientos años, en segundo lugar, el futuro, expresando la transición de la era industrial a la de la información y, por último, para ser un foco de esperanza. Inicialmente fue rechazado por algunos habitantes de la zona en especial por la inversión que implicó diseñarlo y construirlo, sin embargo, hoy el Ángel del Norte es considerado un símbolo, un icono de esta parte de Inglaterra, y miles de personas lo visitan mientras él rinde un callado homenaje a la herencia industrial del noroeste del país.

He visitado la ciudad de Newcastle en varias ocasiones, sin embargo, no he tenido la oportunidad de conocer este impresionante monumento, por lo que estaré atento a mi próxima visita para exigirles a mis compañeros de trabajo que organicemos una visita para poder atestiguar como mis propios ojos la belleza de esta estructura corroída. Dedico esta publicación a mis compañeros de la oficina de Penspen en Newcastle.

Acerca del Material

El material seleccionado para la construcción de esta estructura fue acero COR-TEN, también conocido como acero patinable o acero de baja aleación para intemperie, cuya composición exige un contenido de carbono inferior a 0.2% en peso, Cu (0.2-0.55%), Cr (0.4-1.25%), Ni (0.65%), P (0.03-0.15%) y otros elementos que suman en total un contenido entre 1% a 5% en peso, que equivale a una proporción mas alta a la que se encuentra normalmente en los aceros al carbono suaves o simples. Constituyen una clase de acero estructural que desarrollan una capa adherente de óxidos protector, llamada pátina, durante su exposición a la atmósfera en ambientes de baja agresividad.
El acero COR-TEN fue patentado por la United States Steel Corporation en 1933 que lo lanzó como un acero de baja aleación con 0,2-0,5 % de cobre, 0,5-1,5 % de cromo y 0,1- 0,2 % de fósforo. La composición a lo largo de los años ha sido objeto de algunos cambios, como la introducción de 0,4 % de níquel, la reducción del fósforo a 0,04 %, así como la adición de pequeñas cantidades de otros elementos, capaces de mejorar su resistencia mecánica. Actualmente se puede obtener aceros COR-TEN con una resistencia en el límite de elasticidad de hasta 580 MPa. Hoy en día, puede clasificarse en función de diferentes estándares americano, europeo, Japones y chinos. La American Society for Testing Materials (ASTM) ha estandarizado diferentes composiciones para estos aceros patinables. En la Tabla 1, se muestran las composiciones químicas de tres aceros patinables de uso común.

Tabla 1. Composiciones químicas de aceros patinables.

Sobre la Construcción

El Ángel del Norte fue construido por Hartlepool Steel Fabrications e instalado en 1998. Su construcción se demoró cuatro (04) años y tuvo un costo aproximado de 800 KGBP. Consta de tres partes principales, el cuerpo que pesa 100 ton y dos alas que pesan 50 ton cada una sostenidos por cimientos que requirieron verter ciento cincuenta toneladas de hormigón para formar pilas para enraizar la escultura en la roca sólida 20 metros más abajo. La Figura 2, muestra una representación esquemática de la construcción del Ángel.

Ensamblaje de la estatua

Cada parte contiene una combinación de hasta cinco elementos, ( Figura 3).
• Costillas: el esqueleto externo cortado de acero de 50 mm de espesor permite que la estructura que mantiene unido al ángel sea integral para su apariencia.

•Piel: chapa de acero de 6 mm doblada y soldada a las nervaduras que conforman la forma del
cuerpo.
• Costillas de sacrificio: se encuentran debajo de las placas de la piel y ayudan a darles
forma.
• Los diafragmas, que parecen nervaduras en la superficie, en realidad son placas horizontales
de 50 mm de espesor que atraviesan el cuerpo, de hasta seis metros por tres metros y pesan casi
cinco toneladas. Hay cinco de estos, el más importante en el pecho, que se alinea
con los diafragmas horizontales de las alas para proporcionar un punto de anclaje sólido.
• Núcleo: el esqueleto invisible que va desde los pies hasta el pecho para brindar apoyo
adicional. Este tubo de acero hueco, una serie de cilindros y conos, refleja la forma del cuerpo.
Es una placa de acero de 30 mm de espesor hasta las rodillas y 15 mm de espesor por encima. Las
nervaduras de la parte inferior del cuerpo están soldadas directamente al núcleo.

Este enfoque revolucionario de la fabricación fue ideado por Hartlepool Steel Fabrications, que ganó el contrato para construir el Ángel del Norte. Trabajaron en estrecha colaboración con los ingenieros consultores Ove Arup & Partners y el Gateshead Council para hacer realidad el diseño del Ángel. Los cuerpos moldeados originales del Ángel por el escultor, Antony Gormley OBE, fueron escaneados por el Departamento de Geomática de la Universidad de Newcastle y las coordenadas precisas trazadas para crear un Ángel de Realidad Virtual 3D electrónico. Grafton Software convirtió estos datos en un modelo CAD tridimensional para que las máquinas perfiladoras computarizadas utilizadas por Teesside Profilers pudieran cortar el cuerpo principal en nervaduras siguiendo las curvas exactas de las piezas fundidas originales del artista. Luego, las costillas se entregaron a Hartlepool Steel para su construcción. Las alas de este ángel no son planas, sino que tienen un ángulo de 3.5 grados mediante el cual el artista quiso transmitir la sensación de abrazo.

Mecanismo de corrosión

Cuando se expone a diferentes ambientes, las características de resistencia a la corrosión del acero para intemperie se ven afectadas de diversas formas. La tasa de corrosión aumenta cuando la humedad relativa excede aproximadamente el 70%. Un alto porcentaje de humedad relativa afecta el tiempo de humectación, que es el tiempo que un metal permanece lo suficientemente húmedo como para corroerse a una velocidad apreciable.

Para lograr la capacidad protectora más deseada de la capa de óxido, los ciclos húmedo y seco de casi la misma duración deben permitir que se forme la pátina y proporcionar una resistencia satisfactoria a la corrosión. Una vez expuesta la estructura de acero COR-TEN a la atmosfera y a los ciclos de humectación y secado, inicia el proceso de corrosión electroquímica, que implica la oxidación del hierro y de otros elementos como el cobre, níquel y fosforo principalmente, lo que genera una película de óxidos superficial, densa, estable, adherente e impermeable al agua y al vapor de agua.

Esta película es comparable a la pátina que se ve en el hierro fundido cuando se expone a la atmosfera y reducirá significativamente la velocidad de corrosión. Esto es lo que impide que la oxidación del acero prosiga hacia el interior de la pieza. Esta película superficial protege el alma del COR-TEN de la corrosión atmosférica; por eso, no es necesario aplicar ningún otro tipo de protección al acero. La Figura 3 muestra una representación esquemática de la diferencia en velocidad de corrosión entre un acero COR-TEN y un acero normal al exponerlos a una atmosfera ideal.

Capa protectora de productos de corrosión

Hay muchos trabajos que estudian la protección de la capa del óxido formada sobre acero resistente a la intemperie expuesto a la atmósfera. Las principales fases de la oxidación son diferentes oxi-hidróxidos como α FeOOH (goethita), β-FeOOH (akaganeita) y γ-FeOOH (lepidocrocita), algunos tipos de óxidos de hierro de como la magnetita Fe3O4 están contenidos en la capa de óxido dependiendo de la condición ambiental. Entre ellos, α-FeOOH forma una capa densa y uniforme de nanopartículas, que están estrechamente unidas al sustrato de acero subyacente. La capacidad de protección contra la corrosión se atribuye principalmente a esta densa fase α cuya formación es estimulada por el ciclo seco-húmedo-seco.
Además, la resistencia a la corrosión mejorada se logra agregando elementos de aleación en los que el cobre (Cu) tiene el efecto beneficioso más pronunciado. El Cu puede retardar la disolución anódica del hierro o disminuir la conductividad electrónica de la capa de óxido, de modo que la velocidad de flujo de los electrones que llegan a los sitios para la reacción catódica disminuye. Al igual que con el cobre, el níquel (Ni) puede formar pequeñas cantidades de hidroxi-sulfatos relativamente protectores. Al igual que los hidroxil-sulfatos de cobre, pueden mejorar el efecto barrera obstruyendo los poros de la capa de producto de corrosión. El cromo (Cr) da como resultado la sustitución de hierro (Fe) por Cr en la fase α, de modo que se forma una capa densamente empaquetada de tamaño nanométrico de α- (Fe1 − xCrx) OOH y contribuye principalmente a largo plazo. En la etapa inicial de la formación se han observado Cr, P y Cu en la capa de CP más cercana al sustrato.

El proceso de formación de esta capa protectora de productos de corrosión responde a un proceso gradual que varía de ambiente en ambiente y que inicia como un proceso de corrosión localizado que luego se extiende de a todo el material. En un estudio realizado para evaluar las características de la capa de producto de corrosión formada en acero resistente a la intemperie expuesto al clima tropical de Vietnam se obtuvieron las siguientes imágenes para diferentes tiempos de exposición y dos tipos de condiciones climáticas, como lo muestra la siguiente Figura 4.

Cambios de color

El proceso de corrosión atmosférica de este material muestra un aspecto amarillento en la etapa inicial de uso y el color cambia gradualmente a marrón. Luego, mientras se encuentra en su entorno circundante, el color cambia a un marrón negruzco en uno o dos años. Luego, el color cambia muy poco una vez más, pero solo a un marrón oscuro. La Figura 5, muestra la secuencia de cambio de color esperada en un acero COR-TEN expuestos a la atmosfera.

La Tabla 2, muestra los resultados de velocidad de corrosión promedio para el acero COR-TEN en diferentes ambientes atmosféricos: rural, urbano e industrial y puede apreciarse como después de 10 años la velocidad de corrosión alcanza valores muy bajos.

Tabla 2. Velocidad de corrosión de aceros patinables en diferentes ambientes.

Algunas ventajas

• La limpieza y la inspección periódicas deben ser el único mantenimiento requerido cuando se
usa acero expuesto a la intemperie. La limpieza periódica consiste en enjuagar las
superficies oxidadas con agua para eliminar cualquier residuo natural o contaminantes. Si
se aplica correctamente, las lluvias fuertes pueden proporcionar una limpieza regular a los
miembros de acero erosionados.
• Los ahorros de costos a largo plazo se obtienen por la durabilidad del material, que se puede
ver en las diversas estructuras y edificios construidos hace casi 50 años. En todo el mundo, el DOT
y las estructuras de transporte utilizan el material debido a su durabilidad y ahorro de costos a
largo plazo. La utilización de la naturaleza viva y protectora de este material también elimina los
costos elevados asociados con la pintura y los costos de vida útil asociados con el mantenimiento
de la pintura en el sitio. En los casos en que el acceso para el mantenimiento futuro sea peligroso
o difícil, o donde sea necesario minimizar la interrupción del tráfico, el acero COR-TEN
es un material de revestimiento ideal.
• La reducción de los impactos ambientales asociados con las emisiones de compuestos orgánicos
volátiles (COV) de los recubrimientos de pintura y las funciones de limpieza requeridas con la
pintura, posiciona al acero resistente a la intemperie como un producto de construcción
sostenible.

Comentarios Finales

• Es importante evitar el encharcamiento de agua, ya que, no se formará la película protectora
si la superficie esta constantemente húmeda. Si se permite que el agua se acumule en
las hendiduras se experimentarán tasas de corrosión más altas, se deben tomar medidas para el
drenaje o durante el diseño evaluar opciones que mitiguen este efecto. El antiguo Omni Coliseum,
construido en 1972 en Atlanta, Georgia, nunca dejó de oxidarse y, finalmente, aparecieron grandes agujeros en la estructura. Este fue un factor importante en la decisión de demolerlo solo 25 años después de su construcción. La humedad relativa promedio en la zona en donde se encuentra instalado el Ángel del Norte se encuentran en el orden del 70% normalmente, lo cual puede afectar la vida útil de esta estructura ya que favorecerá la presencia de una capa continua de agua.
• La exposición a iones de cloruro en ambientes marinos o costeros puede evitar que el acero
esté adecuadamente protegido y provocar índices de corrosión inaceptables. Algunos
expertos recomiendan no instalar este tipo de aceros a una distancia menor de 1 milla de la
costa del océano o en áreas en donde pueda estar expuesto a un rocío continuo salino. La corrosión
que ha sufrido el Aloha Stadium de Hawaii, construido en 1975 con acero para intemperie, es un buen
ejemplo de este problema.
• Los entornos con altas concentraciones de sustancias químicas corrosivas o
contaminantes industriales como el dióxido de azufre (SO2).
• Otra limitación del uso de aceros resistentes a la intemperie es su apariencia. La pátina es visualmente similar al óxido marrón y puede manchar las superficies adyacentes, lo que puede ser problemático cuando la estética es una consideración y hace que la inspección visual sea algo más difícil. U.S. Steel Tower en Pittsburgh, Pensilvania fue construida por U.S. Steel en parte para exhibir el acero COR-TEN. La erosión inicial del material resultó en una decoloración de las aceras de la ciudad circundante, así como de otros edificios cercanos. Las manchas se pueden mitigar eliminando los diseños que drenan los productos de óxido sueltos sobre las superficies adyacentes o proporcionando un pre-envejecimiento al metal antes de la instalación.
• En general se recomienda evitar formar cordones o solapes donde se pueda acumular el agua,
puesto que su presencia continua evitaría el desarrollo de la película protectora y
podría convertirse en un foco de corrosión.

Referencias consultadas

• Characteristics of Corrosion Product Layer Formed on Weathering Steel Exposed to the Tropical
Climate of Vietnam. Le Thi Hong Lien, Hoang Lam Hong. Materials Sciences and Applications,
2013, 4, 6-16
• Weathering Steels: From Empirical Development to Scientific Design. a Review. M. Morcillo,
I. Díaz, B. Chico, H. Cano, D. de la Fuente. National Centre for Metallurgical Research
(CENIM-CSIC), Avda. Gregorio del Amo, 8, 28040 Madrid, Spain.
• Aceros patinables (Cu, Cr, Ni): resistencia a la corrosión atmosférica y soldabilidad. Heidis
Patricia Cano Cuadro. Universidad Complutense de Madrid. Facultad de
Ciencias Químicas. Departamento de Ciencia de los Materiales d Ingeniería Metalúrgica. 2014.
• The history of the Angel of the North.
Gateshead Council
https://www.gateshead.gov.uk/article/5303/The-history-of-the-Angel-of-the-North

Sobre el autor

Gustavo Romero. Ingeniero químico con una maestría en corrosión, se ha desempeñado como especialista en corrosión, líder de integridad y riesgos de instalaciones, gerente de proyectos y en los últimos 12 años ejerce como Director para Latinoamérica de la empresa Penspen.