Quins materials són adequats per a torres de transport d'energia en entorns adversos?

Aliatges d'acer resistents a la corrosió per a aplicacions de torres costaneres i industrials

Com la boira salina i el SO acceleren la degradació de les torres

Quan la boira salada es diposita sobre les superfícies metàl·liques a lo llarg de les costes, inicia una reacció química que degrada la capa protectora de l'acer. Els ions clorur de l'aire marí penetren realment a través d'aquest recobriment d'òxid, creant petites cavitats que debiliten les estructures amb el pas del temps. Les coses esdevenen encara pitjor a prop de les fàbriques, on el diòxid de sofre es barreja amb l'aigua de pluja per formar àcid sulfúric. Segons una investigació publicada per NACE International al seu manual del 2023 sobre el control de la corrosió atmosfèrica, aquestes condicions poden accelerar els processos de rovellat fins a cinc vegades més del que es produeix en àrees amb qualitat de l'aire normal. Si es combinen ambdós factors, ens trobem davant de condicions extremadament agressives per a l'acer al carboni convencional. Les estructures exposades a aquest tipus d'entorn poden perdre més d'un mil·límetre de material cada any, el que significa que triar els materials adequats ja no depèn només de la durada de vida d'un element. Les preocupacions relacionades amb la seguretat i els pressupostos de manteniment es converteixen en consideracions igualment importants per als enginyers que treballen en projectes d'infraestructures costaneres.

Acer meteoritzat (ASTM A588) vs. Acer galvanitzat per immersió en calent: formació de patina, durada de vida i compromisos relacionats amb el manteniment

L'acer meteoritzat ASTM A588 obté les seves propietats protectores d'una barreja de coure, níquel i crom, que contribueix a formar una capa gruixuda de rovell que, de fet, impedeix que la corrosió s'agreugi amb el pas del temps. En zones allunyades de la costa on els materials es sequen regularment, aquest tipus d'acer pot arribar a durar més de cinquanta anys sense gairebé cap manteniment. No obstant això, quan parlem d'àrees properes a l'ocean, on hi ha una presència constant de sal a l'aire, la situació canvia de manera bastant dràstica. Les partícules de clorur alteren la formació de la capa protectora i, en lloc d'això, provoquen aquelles molestes picades sota la pel·lícula superficial. Això fa que sigui poc fiable per a la majoria de projectes de construcció costaners, malgrat les seves excel·lents característiques de durabilitat en altres contextos.

El procés de galvanització per immersió en calent crea un recobriment de zinc que s’uneix a l’acer a nivell molecular. Aquest recobriment actua com una mena d’escut, sacrificant-se mitjançant la corrosió abans que es danyi l’acer subjacent. Observem que aquest material funciona excepcionalment bé en entorns amb elevada humitat o presència de sal a l’aire, la qual cosa explica per què tantes estructures costaneres hi confien. La majoria d’instal·lacions tenen una durada compresa entre 30 i 50 anys, però generalment necessiten algunes retocades cap als 25 anys. El moment exacte depèn de la severitat real de les condicions en cadascuna de les ubicacions.

Per a les torres que es troben a la frontera entre zones industrials i costaneres —on coexisteixen humitat fluctuant, deposició de sal i SO—, la solució més resistenta sovint implica sistemes híbrids: elements principals galvanitzats combinats amb components secundaris d'acer patinat, o revestiments duplex dissenyats per oferir resistència múltiple.

Composites de polímer reforçat amb fibra (FRP) per a instal·lacions de torres en entorns d’alta humitat, químics i elèctricament sensibles

Resistència a la radiació UV, a la humitat i als agents químics: per què les torres de FRP destaquen als corredors tropicals i industrials

Els composites de polímer reforçat amb fibra (FRP) integren resines polimèriques resistents a la corrosió (per exemple, vinil èster o epòxid) amb fibres d’alta resistència (de vidre o de carboni) per oferir una immunitat intrínseca davant tres mecanismes de degradació dominants en entorns tropicals i industrials:

• Radiació UV : Les matrius de resina estabilitzades resisteixen la ruptura en cadena fotooxidativa, eliminant l’eflorescència superficial i la deslaminació observades en polímers no protegits sota la llum solar equatorial.
• Absorció d'humitat amb taxes d’absorció d’aigua inferiors al 0,2 %, el FRP evita la degradació hidrolítica, els camins electrolítics i l’esquerdament per cicle gel-desgel, aspectes crítics en zones propenses a les monges o costaneres.
• Exposició a productes químics la seva composició no metàl·lica assegura una resistència total a la caiguda química àcida (derivada de SO), alcalina i salina, eliminant la necessitat de revestiments o inhibidors.

En comparació amb els recobriments habituals d'acer al carboni, aquesta combinació de materials dura entre tres i cinc vegades més en aquells entorns molt humits on l'humitat roman tot el dia. Un altre avantatge important? El fet que el PRF no condueixi electricitat significa que no hi ha cap possibilitat que hi circuli corrent no desitjat ni que es produeixin espurnes elèctriques a prop de línies elèctriques que funcionen a milers de volts. Això fa tota la diferència en projectes d'infraestructures situats a prop de subestacions o al llarg de grans corredors de transmissió. Penseu en les zones costaneres exposades a l'aire salat del mar, les zones industrials sotmeses a fums corrosius i les regions assolellades sota una insolació constant. En aquestes condicions extremes, el PRF destaca com un material que pràcticament no requereix manteniment, mentre que les peces metàl·liques van deteriorant-se progressivament amb el temps.

Aliatges d'alumini i sistemes de torres híbrides per a àrees àrtiques, de pergelisol i climatologies extremadament fredes

Gestió de l'esforç tèrmic, de la càrrega de gel i de la inestabilitat de les fonaments en el disseny de torres per a regions fredes

Les torres de transmissió patixen una tensió mecànica i tèrmica important quan es despleguen en àrees extremadament fredes, com la tundra àrtica i les zones de pergelisol, on les temperatures solen descendir molt per sota del punt de congelació. Les aleacions d'alumini com la 6061-T6 i la 7075-T73 són especialment adequades per a aquestes condicions, ja que ofereixen diversos avantatges respecte als materials tradicionals. En primer lloc, l'alumini s'expandeix molt menys quan es calenta comparat amb l'acer: aproximadament 23,6 micròmetres per metre i grau Celsius, davant dels només 12 de l'acer. A més, resisteix naturalment la corrosió provocada per l'exposició a aigua salada, pesa uns 60 % menys que l'acer i conserva la seva flexibilitat fins i tot a temperatures inferiors a menys 40 graus Celsius. Totes aquestes característiques actuen conjuntament per fer front a problemes com la fatiga tèrmica, reduir la càrrega sobre les fonaments construïts sobre terrenys inestables i evitar fractures sobtades que podrien produir-se quan el gel cau de les torres o durant terratrèmols.

La relació resistència-pes de l'alumini permet gestionar l'acumulació de gel fins a 50 mm d'espessor als costats sense necessitar reforços addicionals. Això ajuda a reduir tant els problemes derivats de les càrregues de vent com la quantitat de materials necessaris per a la construcció. Quan analitzem zones amb vents forts, combinar l'alumini amb materials compostos millora efectivament la resistència de les estructures als esforços de torsió, però al mateix temps conserva la seva capacitat d'absorbir energia quan cal. Per a fonaments en climes freds, els enginyers aprofiten la lleugeresa de l'alumini per protegir el pergel permanent dels canvis tèrmics. Sovint utilitzen pilotes helicoidals poc profundes juntament amb dispositius especials de refrigeració anomenats termosifons. Aquestes configuracions ofereixen una bona estabilitat sense haver de cavar massa profundament a terra ni necessitar sistemes de refrigeració permanents. Proves reals realitzades a llocs com Alaska i el nord del Canadà han demostrat que aquests enfocaments combinats poden reduir les necessitats imprevistes de manteniment en un 40 % aproximadament en comparació amb torres convencionals d'acer. Aquesta diferència de rendiment és realment significativa en aquells indrets on resulta tan difícil transportar peces i treballadors a ubicacions remotes.

Marc de selecció comparativa: adaptació del material de la torre a la severitat ambiental i als requisits operatius

La selecció dels materials òptims per a les torres de transmissió requereix relacionar els agents agressius ambientals amb els requisits funcionals mitjançant un marc estructurat i basat en evidències. Les instal·lacions costaneres exigeixen una resistència demostrada a la picadura provocada pels clorurs i a la sinèrgia amb la pluja àcida; les implantacions àrtiques, en canvi, prioritzen l’estabilitat tèrmica, la capacitat de càrrega de gel i la tenacitat criogènica —una divergència fonamental que posa de manifest com la idoneïtat del material és específica de cada ecosistema.

Els enginyers avaluen les opcions segons quatre criteris interdependents:

• Resistència a la corrosió : Imprescindible en zones marines o industrials —l’acer al carboni es degrada tres vegades més ràpidament que l’acer patinable ASTM A588 sota les classificacions de corrosivitat ISO 9223 C4/C5.
• Rendiment mecànic : La resistència a la fatiga, la relació límit elàstic/resistència a la tracció i els límits de deformació per càrrega de gel defineixen les marges de seguretat —especialment on predomina la càrrega cíclica (p. ex., vents costaners, desprendiment de gel àrtic).
• Economia del cicle de vida els compostos de FRP ofereixen una vida útil de 50 anys sense necessitat de pintura, però comporten uns costos inicials aproximadament un 40 % superiors als de l’acer galvanitzat per immersió en calent—una inversió justificada només quan la logística d’accés o el risc d’aturades augmenten les despeses operatives a llarg termini.
• Factibilitat del manteniment els emplaçaments remots o perillosos prefereixen solucions «instal·la-i-oblida»: les aleacions d’alumini i els compostos de FRP redueixen significativament la freqüència d’inspeccions i el risc d’intervencions, comparats amb sistemes recoberts o galvanitzats.

Res funciona millor a tot arreu i en qualsevol moment. L'acer inoxidable resisteix bé a prop de l'aigua salada, però es torna fràgil quan les temperatures baixen per sota dels menys 30 °C. El plàstic reforçat amb fibra de vidre no té aquests problemes galvànics, encara que necessita un tractament especial per a la protecció contra la radiació UV i ha de formular-se amb retardants de flama. Els enginyers experimentats basen les seves decisions en classificacions establertes de severitat ambiental, com les normes ISO 9223 o IEC 60721-3-3, i després verifiquen com es comporten realment els materials sobre el terreny, en lloc de confiar exclusivament en proves de laboratori. Aquest enfocament evita que els projectes quedin subespecificats en entorns agressius, alhora que evita despeses innecessàries en àrees amb condicions més moderades. El resultat són estructures en què la selecció de materials coincideix amb el que realment succeeix a l’obra, garantint durabilitat, seguretat i costos raonables al llarg de la vida útil, sense superar el pressupost.

Secció de preguntes freqüents

Quins materials són els millors per a la construcció de torres costaneres?

L'acer galvanitzat per immersió en calent sovint es prefereix per a les torres costaneres degut al seu excel·lent rendiment en entorns amb alta humitat i salinitat.

Per què es prefereix la FRP per a les regions tropicals?

Els compostos de FRP destaquen a les regions tropicals per la seva resistència a la radiació UV, a la humitat i als productes químics.

Quins avantatges ofereixen les aliatges d'alumini per a climats freds?

Els aliatges d'alumini com ara el 6061-T6 i el 7075-T73 són lleugers, resisteixen l'esforç tèrmic i la corrosió, i ofereixen flexibilitat en condicions extremes de fred.