Estudio sobre el comportamiento de corrosión y la predicción de la degradación mecánica de pernos en un entorno de corrosión altamente mineralizado

Por qué los pernos en el subsuelo profundo pueden fallar silenciosamente

En el subsuelo profundo, los pernos de acero sostienen los techos y las paredes de las minas de carbón, evitando que los túneles se derrumben sobre las personas que trabajan en su interior. En algunas minas, el agua circundante está cargada de sales disueltas, creando un baño químico agresivo que desgasta lentamente estos soportes ocultos. Este estudio plantea una pregunta simple pero vital para la seguridad minera: ¿qué rapidez pierden resistencia estos pernos en tales condiciones, y puede un tipo mejorado de perno durar más?

Peligro oculto en túneles de roca salina

Los investigadores se centran en entornos mineros “altamente mineralizados”, donde el aire cálido y muy húmedo y el agua rica en sales se combinan para atacar el metal. En estos túneles, los pernos de acero permanecen en una fina película de humedad salina en lugar de estar secos, lo que acelera considerablemente la corrosión. El equipo observa que, a medida que las minas se profundizan, las temperaturas aumentan y la circulación del agua subterránea se ralentiza, lo que suele elevar los niveles de cloruros y sulfatos. Estas condiciones hacen que los pernos sean más propensos a sufrir daños locales en puntos pequeños en lugar de corroerse de forma uniforme, por lo que un perno puede parecer en su mayoría íntegro y sin embargo romperse de forma repentina en un punto debilitado, con riesgo de desprendimientos de techo y estallidos de roca en la galería.

Ensayo de pernos estándar y protegidos con zinc

Para medir la gravedad del problema, los autores realizaron ensayos de inmersión de un año en dos tipos de pernos de acero de 20 milímetros: pernos ordinarios y pernos tratados con un recubrimiento por difusión rico en zinc. Sumergieron las muestras en soluciones con distintas cantidades de iones cloruro y sulfato, por separado y en combinación, todo a temperatura elevada. Tras 365 días limpiaron la corrosión, midieron la pérdida de peso para estimar la profundidad de metal consumido, examinaron los productos de corrosión mediante difracción de rayos X y realizaron ensayos de tracción para ver cuánto habían perdido de resistencia.

Cómo el agua salada ataca el acero y cómo el zinc cambia la historia

La superficie de los pernos de acero ordinarios desarrolló muchas picaduras pequeñas y profundas en lugar de una capa de óxido uniforme. El cloruro resultó ser el ion más agresivo, creando más y mayores picaduras que el sulfato a la misma concentración. Cuando ambos iones estaban presentes, competían por los puntos de la superficie metálica, de modo que aumentar el cloruro empeoraba la picadura, mientras que aumentar el sulfato podía desplazar ligeramente el daño hacia un ataque más uniforme. La capa de óxido en los pernos ordinarios era suelta y no protectora, permitiendo que los iones y la humedad siguieran penetrando. En contraste, los pernos tratados con zinc formaron productos de corrosión ricos en compuestos de zinc que se compactaron, actuando como un escudo. Las picaduras en estos pernos fueron menos numerosas y más superficiales, y su pérdida de resistencia fue mucho menor durante el mismo tiempo de exposición.

De las picaduras en el acero a un reloj para la pérdida de resistencia

Puesto que las picaduras actúan como pequeñas muescas que concentran el esfuerzo, el equipo vinculó la profundidad de las picaduras directamente con la pérdida de límite elástico y resistencia a la tracción. Para el rango de daños observado, la pérdida de resistencia aumentó casi de forma lineal con la profundidad media de corrosión. Para convertir esto en una herramienta predictiva, desarrollaron un modelo matemático de cómo las picaduras aparecen y luego crecen con el tiempo en agua rica en cloruros, incluyendo la influencia de la temperatura. El modelo trata los tamaños de las picaduras de forma estadística, usando una distribución de probabilidad que representa muchas picaduras de tamaño medio con menos muy pequeñas o muy grandes. Al combinar este modelo de picaduras con sus datos de laboratorio, derivaron fórmulas que expresan la pérdida de resistencia de los pernos en función del nivel de cloruros, la temperatura y el tiempo de servicio.

Lo que dice el modelo sobre la vida útil de los pernos

Usando su modelo temporal, los autores muestran que tanto una mayor concentración de cloruros como una mayor temperatura acortan la vida útil de los pernos de manera pronunciada y exponencial. Por ejemplo, duplicar el nivel de cloruros dentro del rango típico de algunas minas de carbón chinas puede reducir la vida útil esperada de los pernos ordinarios en más de la mitad. La roca más cálida tiene un efecto similar, aunque ligeramente menor. Cuando compararon las predicciones del modelo con una galería real donde los pernos habían estado en servicio alrededor de un año en condiciones muy salinas, la profundidad de corrosión calculada y la pérdida de resistencia coincidieron estrechamente tanto con las pruebas de laboratorio como con las mediciones de campo. Este acuerdo sugiere que el modelo puede ayudar a los ingenieros a estimar cuándo los pernos probablemente se volverán peligrosamente débiles.

Soportes más seguros para entornos mineros agresivos

Para reducir el riesgo de fallos repentinos de pernos en minas altamente mineralizadas, el estudio recomienda reemplazar los pernos ordinarios por pernos tratados con zinc y utilizar placas, mallas y otros elementos recubiertos de zinc para que todo el sistema de soporte se corroa más despacio y de forma más uniforme. Inyectar lechadas densas y alcalinas alrededor de los pernos y añadir fundas externas puede bloquear aún más el agua rica en sales para que no alcance el acero. Junto con un mejor control de la temperatura en la mina y un monitoreo continuo del estado de los anclajes, estas medidas pueden alargar la vida útil de los pernos y mejorar la seguridad de los túneles subterráneos.

Cita: Zhang, J., Li, S., Du, Z. et al. Study on corrosion behavior and mechanical performance degradation prediction of bolts in high mineralized corrosion environment. Sci Rep 16, 14885 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45566-2

Palabras clave: corrosión de pernos, minería del carbón en profundidad, pernos con recubrimiento de zinc, corrosión por picaduras, predicción de vida útil