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UNIVERSIDAD NACIONAL TECNOLOGICA DEL CONO SUR DE LIMA
DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCION CATODICA POR CORRIENTE IMPRESA PARA UN DUCTO SUBMARINO
TRABAJO DE INVESTIGACION PARA OPTAR EL TITULO DE
INGENIERO
MECANICO ELECTRISTA
PRESENTADO POR EL BACHILLER
GUIDO LIBERATO LOPEZ
LIMA - PERU
2014
iiii
DEDICATORIA
Este trabajo de investigación se la dedico
a Dios y a mi madre que desde el cielo
supieron guiarme por el buen camino,
dándome fuerzas para seguir adelante y
no desmayar en los problemas que se
presentaban, enseñándome a encarar las
adversidades sin perder nunca la dignidad
ni desfallecer en el intento.
iiv
AGRADECIMIENTOS
Gracias a la UNIVERSIDAD NACIONAL
TECNOLÓGICA DEL CONO SUR DE LIMA por
brindarme una formación académica, a todo el
personal Docente por los conocimientos ofrecidos
semestre a semestre y por enseñarme lo que
significa ser profesional, a mi tía Gudelia Castilla, a
quien quiero como a una madre, por compartir
momentos significativos conmigo y por siempre estar
dispuesta a escucharme y ayudarme en cualquier
momento. A todos, espero no defraudarlos y contar
siempre con su valioso apoyo, sincero e
incondicional
i
INDICE
INDICE DE TABLAS…………………………………………………………………… ii
INDICE DE FIGURAS………………………………………………………………… iii
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………. iv
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA……………………………………….. 1 1.1. DESCRIPCION DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA…………….. 1 1.2. JUSTIFICACION DEL PROBLEMA …………………………………. 1
1.2.1. JUSTIFICACION OPERATIVA……………………………………. 1 1.2.2. JUSTIFICACION ECONOMICA………………………………….. 1
1.3. DELIMITACION DE LA INVESTIGACION…………………………… 2 1.3.1. ESPACIAL…………………………………………………………… 2 1.3.2. TEMPORAL…………………………………………………………. 2
1.4. FORMULACION DEL PROBLEMA………………………………….. 2 1.4.1. PROBLEMA CENTRAL…………………………………………….2 1.4.2. PROBLEMA ESPECIFICO……………………………………….. 2
1.5. OBJETIVO.……………………………………………………………….2 1.5.1. OBJETIVO GENERAL ……………………………………………..2 1.5.2. OBJETIVO ESPESIFICO ………………………………………….3
2. MARCO TEORICO…………………………………………………………….. 3 2.1. ANTECEDENTES ……………………………………………………… 4 2.2. BASES TEORICAS…………………………………………………….. 4 2.3. MARCO CONCEPTUAL………………………………………………. 35
3. DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCION………………………………… 38 3.1. ANALISIS DEL SISTEMA ……………………………………..……… 38 3.2. CONSTRUCCION DEL DISEÑO…………………………………….. 39 3.3. REVISION Y CONSOLIDACION DE RESULTADOS……………… 45
CONCLUSIONES………………………………………………………………………. 46
RECOMENDACIONES………………………………………………………………… 47
BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………… 48
ANEXOS………………………………………………………………………………… 49
ii
INDICE DE TABLAS
PROPIEDADES DE LOS ÁNODOS DE CORRIENTE IMPRESA
TABLA 1…………………………………………………………………………………23
POTENCIAL MÁXIMO ENTRE LA SUPERFICIE RECUBIERTA Y EL
ELECTROLITO, MEDIDO RESPECTO AL ELECTRODO DE Cu/CuSO4
TABLA 2…………………………………………………………………………………24
DISTANCIA MÍNIMA DEL LECHO DE ÁNODOS A LA TUBERÍA
TABLA 3…………………………………………………………………………………25
CLASIFICACIÓN DEL MEDIO ELECTROLITO DE ACUERDO CON SU
RESISTIVIDAD
TABLA 4…………………………………………………………………………………25
DENSIDADES DE CORRIENTE REQUERIDAS PARA PROTECCIÓN CATÓDICA
DE ACERO DESNUDO EN DIVERSOS MEDIOS
TABLA 5…………………………………………………………………………………26
FACTORES DE INTERFERENCIA (Fi)
TABLA 7…………………………………………………………………………………28
PROPIEDADES DE LOS CONDUCTORES DE COBRE
TABLA 7…………………………………………………………………………………30
iii
INDICE DE FIGURAS
COMO TRABAJA LA PROTECCIÓN CATÓDICA
FIGURA 1……………………………………………………………………………….4
FIGURA 2……………………………………………………………………………….6
FIGURA 3……………………………………………………………………………….7
FIGURA 4……………………………………………………………………………….8
FIGURA 5……………………………………………………………………………….9
FIGURA 6……………………………………………………………………………….11
MECANISMO BÁSICO DE LA CORROSIÓN
FIGURA 7……………………………………………………………………………….17
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
FIGURA 8……………………………………………………………………………….19
ESQUEMA DE UN LECHO DE ÁNODOS VERTICAL.
FIGURA 9……………………………………………………………………………….34
iv
INTRODUCCION
La industria petrolera es un pilar fundamental en el desarrollo económico de
nuestro país, ya que representa una de las principales fuentes de ingresos de
divisas, por ello es necesario mantener los equipos de operación en un óptimo
desempeño. Todos los elementos tienen un tiempo de vida útil, pero cuando en
esta se presenta un desgaste prematuro por diversos factores, representa un serio
problema; esto se debe principalmente a un fenómeno que con el pasar del tiempo
se vuelve más agresivo y perjudicial “la corrosión”, por lo que es sumamente
necesario aplicar técnicas y criterios de protección que se han ido desarrollando y
modernizando al pasar de los años con el objetivo de combatir este fenómeno. La
industria petrolera ha ido adoptando con mayor intensidad diferentes métodos y
diseños que ayudan a proteger sus equipos para garantizar la seguridad del
personal, los gastos indebidos y evitar contaminación ambiental que pudiesen
darse, consecuencia de un ataque por corrosión que origine una pérdida del
producto transportado.
La presente investigación está enfocada en diseñar un sistema de protección
catódica por corriente impresa para un tubo submarino que desembarca petróleo
desde el Mar hasta el área de almacenamiento de una refinería en la costa central
peruana; con una longitud de 4500 m, el objetivo es de prolongar la vida útil de la
estructura evitando un ataque agravado de corrosión en el medio en el que
operara. Aquí se escogerá como ánodo de sacrificio tubos de acero al carbono
SAE 1018 en base a los criterios estudiados y se diseñará el sistema con todos los
equipos y materiales que se utilizarán tales como: conductores, rectificadores,
aislamientos cables, cajas de conexión, empalmes. La construcción del sistema se
basará y sustentarán en los fundamentos teóricos y normativas actuales.
1
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1. DESCRIPCION DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA
La corrosión es uno de los principales problemas que causan pérdidas
económicas en el ámbito industrial. La industria petrolera no está
exceptuada de este fenómeno; la pérdida de una pequeña porción de
material representa una pérdida millonaria anualmente, por el efecto de
la corrosión de tuberías, codos, bridas, empaques y cualquier otro
material metálico que se encuentra en contacto con un medio agresivo
(agua de mar).
1.2. JUSTIFICACION DEL PROYECTO
La importancia económica del proceso de corrosión, es de mucho
interés, nacional e internacional, es por ello que se debe diseñar una
metodología eficaz, más aun si se desea incursionar en el campo de la
protección de estructuras metálicas por medio de la electricidad
continua. Esta metodología debe proteger o disminuir la velocidad de
corrosión de un sistema metal-medio de corrosión generada por el agua
de mar de la costa peruana.
1.2.1. JUSTIFICACIÓN OPERATIVA
Tiempo de vida que tendría el ducto para la alimentación de
petróleo crudo al área de almacenamiento de la refinería
estudiada, que con el pasar de los años se vuelve más y más
agresivo, por el medio ambiente y la saturación de gases que se
concentran.
1.2.2. JUSTIFICACION ECONOMICA
Todos los elementos tienen un tiempo útil de vida, pero cuando
se presenta un desgaste prematuro como la corrosión; se
presenta un serio problema que trae consigo perdidas
económicas.
2
1.3. DELIMITACION DEL PROYECTO
1.3.1. ESPACIAL
El proyecto se realizó en la zona de playa parte interna y externa
de una refinería en la costa central del Perú.
La parte externa del terreno ha sido uso de relleno de residuos
de construcción, demolición y otros por parte de los habitantes
1.3.2. TEMPORAL
El tiempo de vida de los ánodos de sacrificio según el diseño y
los cálculos realizados trabajaran un aproximado.
1.4. FORMULACION DEL PROBLEMA 1.4.1. PROBLEMA CENTRAL
¿Cuál sería el criterio de protección de la tubería, apropiado en el
diseño de protección catódica por corriente impresa aplicada al
ducto submarino de 4500 m enterrado en el mar hasta el
almacenamiento de la refinería de la costa peruana para evitar el
ataque agravado de corrosión?
1.4.2. PROBLEMA ESPECÍFICO
¿Se podrá combatir un ataque agravado de corrosión con un
sistema de protección catódica por corriente impresa para un
tiempo determinado, reduciendo costos y colaborar contra la
contaminación del medio ambiente?
1.5. OBJETIVO 1.5.1. OBJETIVO GENERAL
El objetivo de este trabajo es realizar el diseño de protección
catódica por corriente impresa, usando como ánodo de sacrificio
tubos de (acero al carbono SAE 1018) sin relleno, al desnudo.
3
1.5.2. OBJETIVO ESPECIFICO
Evitar un ataque de corrosión en un tiempo determinado de 6 a 8
meses para dar tiempo a la gestión e importación de ánodos de
TITANIO usando tubos de chatarra de acero al carbono (SAE
1018) a ves reducir gastos ya que dicho material se encontrara
en cantidad en el campo de trabajo y así colaborar con el medio
ambiente.
2. MARCO TEORICO 2.1. ANTECEDENTES
Humphrey Davy realizo experimentos de laboratorio en agua salada
informó en 1824 que se podía proteger eficazmente el cobre contra la
corrosión uniéndolo a hierro o zinc.
Edwin Fabián Plúas Nolivos en la UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA
EQUINOCCIAL en el año 2006 presenta su tesis de grado previa a la
obtención del título de ingeniero en petróleos tema “protección catódica
para oleoducto secundario del bloque 16 de la compañía Repsol”.
Demostrar que la protección catódica con corriente impresa es el método
más importante para controlar la corrosión del oleoducto secundario de
crudo pesado en el bloque 16 ya que el método tradicional de ánodos
galvánicos no es el adecuado para éste tipo de crudo pesado. Se
realizará mediante lecturas de medidas de potencial de la tubería
enterrada, usando el electrodo de Cu/CuSO4 (saturado) como referencia
y un multímetro en función del medio agresivo, en este caso el del suelo.
MANUAL DE INGENIERÍA DE DISEÑO. Titulo “Criterios de diseño para
sistemas de protección catódica” PDVSA 5 de abril de 1983.
Establecer una guía para el diseño de un sistema de protección catódica
y homologar los criterios y procedimientos mínimos para el diseño de los
mismos a nivel corporativo y así mismo establece los principios básicos
para el control de la corrosión de estructuras metálicas enterradas
4
sumergidas, mediante el uso de protección catódica, y a su vez describe
los requerimientos y procedimientos mínimos necesarios para el diseño
de los sistemas.
2.2. BASES TEÓRICAS 2.2.1. DEFINICIÓN DE PROTECCIÓN CATÓDICA.
La protección catódica es el método de reducir o eliminar la
corrosión de un metal, haciendo que, la superficie de este,
funcione completamente como cátodo cuando se encuentra
sumergido o enterrado en un electrólito”. Esto se logra haciendo
que el potencial eléctrico del metal a proteger se vuelva más
electronegativo mediante la aplicación de una corriente directa o
la unión de un material de sacrificio (comúnmente magnesio,
aluminio o zinc). Normalmente, el método es aplicable a
estructuras de fierro y acero pero, también, se usa en grado
limitado en plomo, aluminio y otros metales. Se debe recordar que el cátodo es aquel electrodo donde se
desarrolla la reacción de reducción y prácticamente no ocurre
corrosión alguna. Antes de aplicar la protección catódica, las
estructuras corroíbles presentan áreas catódicas y anódicas
(estas son aquellas donde la estructura se corroe). Por lo tanto,
si todas las áreas anódicas se pudieran convertir en catódicas, la
estructura completa funcionaría como un cátodo y la corrosión
sería eliminada.
FIGURA 1
5
COMO TRABAJA LA PROTECCIÓN CATÓDICA.
La segunda etapa es para demostrar cómo la aplicación de una
corriente directa sobre cualquier estructura metálica corroíble,
puede convertirla en un cátodo. Cuando dos metales diferentes A
y B se conectan y sumergen en un electrólito, (figura 1) se
desarrolla un flujo de corriente a través del electrólito y ambos
metales; de tal manera que los aniones entran al seno de la
solución en el ánodo y al mismo tiempo los electrones se mueven
de este electrodo hacia el cátodo a través del conductor metálico.
La velocidad o rapidez de la corrosión depende de: la cantidad
de corriente que fluye, la fuerza electromotriz total y las
resistencias óhmicas y no óhmicas del circuito.
Si ahora, se forma un nuevo circuito agregando una fuente
externa de fuerza electromotriz con su polo positivo conectado al
metal C y el polo negativo al metal A y B esto hará que B se
vuelva más negativo debido a los electrones que fluyen hacia el
mismo. Estos electrones atraerán a los iones positivos y
reducirán la tendencia que tienen estos iones para entrar en
solución o sea que, de esta manera se reduce la velocidad de la
corrosión. Dicho en otras palabras, el flujo de corriente de C a B
a través del electrólito reduce el flujo neto de corriente que sale
de B y por lo tanto, se retarda la velocidad de corrosión. Así
mismo, se tiene un incremento de corriente de la solución hacia
el metal A incremento de corriente de la solución hacia el metal
A.
6
FIGURA 2
Existen tres mecanismos mediante los cuales se retarda la
corrosión al aplicar la protección catódica y son los siguientes: 1. Reducción del potencial de la reacción del metal, de tal
manera que el proceso catódico se desarrolla en todas las
áreas del mismo o sea que, se evita la reacción:
Fe0 Fe++ + 2e
2. El electrólito adyacente a la superficie del cátodo se vuelve
más alcalino debido a las reacciones de reducción del
7
oxígeno y/o los iones hidrógeno; este incremento en el pH
reducirá el gradiente de potencial de la celda de corrosión.
3. El incremento en el pH, producirá la precipitación de algunas
sales insolubles, por ejemplo; carbonato de calcio (CaCO3) e
hidróxido de magnesio, Mg(OH)2, que se depositan sobre el
metal produciendo una incrustación calcárea que lo protege.
La fuerza electromotriz puede ser suministrada por un metal
más electronegativo que el metal a proteger (figura 2) o bien,
mediante una fuente externa y un electrodo auxiliar que
puede ser o no metálico (figura 3), puesto que lo único que
se requiere es que conduzca fácilmente los electrones y que
el potencial impreso sea capaz de desarrollar la reacción
anódica sobre su superficie.
Estos principios de la protección catódica se ilustran
mediante el uso de circuitos eléctricos equivalentes. El
método presenta limitaciones considerables pero es útil para
la demostración de ciertos aspectos de la teoría.
En la interface metal / electrólito existe una fuerza
electromotriz (voltaje) y cuando la corriente fluye, aquella
cambia de tal manera, que con bastante aproximación se
puede representar al metal y al electrólito como una
resistencia en serie con una fuente de fuerza electromotriz.
8
FIGURA 3
En la figura 3, ambos circuitos representan una celda de
corrosión, en donde Ec y Rc son la FEM y la resistencia en el
cátodo respectivamente, Ea y Ra son la FEM y la resistencia
en el ánodo, e “I ” es el flujo de corriente que pasa por el
circuito, por ejemplo; la corriente de corrosión.
I =Ea – Ec
Ra + Rc
FIGURA 4
9
Esto desde luego, suponiendo una resistencia de valor cero
para el electrólito.
Si además, se introduce un metal más electronegativo dentro
del electrólito con el objeto de tener un sistema de protección
catódica, el nuevo circuito se puede representar como se
muestra en la figura 5, en la que Ep y Rp son la FEM y la
resistencia del electrodo auxiliar.
Con el arreglo anterior, se puede ver que el flujo de corriente
proveniente del ánodo, se disminuye (I – I’), mientras que en
el cátodo se incrementa.
La corrosión cesará cuando no salga corriente alguna del
ánodo (I – I’ = 0), y cuando esto ocurre, el potencial a través
de Ra es cero y dado que el potencial entre X e Y debe ser
igual, se tiene:
Ea = Ec + Rc (I + I’)
FIGURA 5
10
Esto quiere decir, qué la condición para que exista protección
es que debe fluir suficiente corriente al sistema o estructura
hasta llegar al potencial de polarización del circuito abierto
del ánodo (cero corriente).
La figura 6, presenta los mismos efectos pero desde el
concepto de la polarización y tanto Ec como Ea representan
a los potenciales de equilibrio de las medias celdas anódico y
catódico que constituyen a la reacción de corrosión. La
intersección de las curvas, Ec /I y Ea/I, en el punto P,
proporciona el potencial de corrosión o potencial mezclado,
Ecorr, correspondiente con Icorr, la velocidad de corrosión.
La reducción en el potencial producida por la corriente
catódica de magnitud C’C’, incrementará la velocidad del
proceso catódico hasta I’c y reducirá la velocidad del proceso
anódico hasta I’a. La reducción del potencial del ánodo hasta
C’’ requiere una corriente catódica de magnitud C’’C’’ y aquí
se observa que C’’ corresponde con Ea, el potencial de
equilibrio del ánodo. Las corrientes superiores de magnitud
C’’’, realmente provocarán una reacción catódica en las
áreas del metal que originalmente fueron anódicas (EaK).
Como quiera que sea el potencial del metal corroíble se
disminuye mediante el uso de una fuente externa y un ánodo
no reactivo o bien, mediante un metal más básico, el cual,
debido a su baja afinidad electrónica, origina un paso de
corriente hacia el metal que se trata de proteger.
11
LIMITACIÓN DE LA ANALOGÍA ELÉCTRICA. La analogía descrita, como se dijo, tiene sus limitaciones
puesto que se han hecho simplificaciones en el arreglo físico
real a fin de poder expresarla en términos eléctricos, estas
limitaciones son:
1. El uso de una simple resistencia, implica que la densidad
de corriente en todos los puntos de los electrodos sea
constante. Además, un circuito equivalente y simple no
da una idea de la geometría del sistema.
2. En el sistema, todos los factores dependen del tiempo,
por ejemplo; la polarización (curva de corriente-potencial)
puede cambiar durante el flujo de corriente.
3. Al simplificar el circuito se ha supuesto un valor de cero
para la resistencia del electrólito, sin embargo, es posible
hacer una aproximación que permita representar en el
circuito una resistencia exacta del electrólito.
4. Los efectos de factores, como son: la temperatura, el
flujo del líquido, la concentración del oxígeno, la acción
bacteriológica, etc., no se incorporan directamente,
aunque pueden ser tomados en cuenta en cierto grado al
12
seleccionar el valor apropiado de los potenciales de los
electrodos, así como también, las resistencias de
polarización si se conocen las constantes apropiadas.
5. La polarización no es lineal y por lo tanto, no se puede
representar con exactitud mediante una resistencia
óhmica.
De lo anterior, se puede ver que la teoría de la protección
catódica es muy simple, pero existen numerosos factores
que no pueden fácilmente ser tomados en consideración y
además, los métodos, la técnica y el criterio son a menudo
de cierta naturaleza empírica.
MEDIDA DE POTENCIALES. La determinación para saber si una estructura se encuentra
adecuadamente protegida, generalmente se basa en una
medida de la FEM (voltaje) entre la estructura y un electrodo
de referencia. Para la realización de ésta, se deben hacer
conexiones tanto a la estructura como al electrólito, la
conexión a la estructura por proteger se puede hacer
mediante una barra de acero la cual se pone en contacto con
aquella, mientras que la conexión al electrólito se puede
hacer con una variedad de medios, pero como el potencial se
desarrollará en este punto y formará parte del valor final, se
deberá hacer con bastante exactitud y facilidad de
reproducción, las lecturas de la medida del potencial
(estructura / electrólito) siempre especificarán el tipo de
electrodo de referencia usado.
La conexión al electrólito se puede hacer simplemente
sumergiendo un pedazo de metal dentro de aquél, este
método es algunas veces aceptable, por ejemplo:
13
(1) pequeños bloques de zinc puro se pueden emplear en
ciertos sistemas de agua de mar donde la exactitud es de
menor importancia,
(2) un simple electrodo metálico que contacte al terreno
puede ser satisfactorio cuando las medidas de potencial se
hacen a intervalos relativamente cortos entre las condiciones
“encendido y apagado” de la fuente de corriente.
En general, si se emplea una media celda de referencia, las
lecturas del potencial deben ser reproducibles a un grado
razonable de exactitud durante ciertos periodos de tiempo.
El potencial de la media celda al estar en contacto ésta con
el terreno o cualquier otro electrólito variará en una cantidad
pequeña (20 mv), dependiendo del electrólito presente, como
una consecuencia de la difusión desarrollada en la unión de
la celda y el electrólito. En la práctica es muy común ignorar
estas diferencias de potencial.
Cuando la corriente fluye hacia una superficie metálica, se
establece un gradiente de potencial entre el ánodo y la
superficie protegida. Este potencial depende en cierto grado
del lugar donde se coloque el electrodo de referencia, por
esta razón, dicho electrodo se debe colocar lo más cercano
posible a la estructura o bien, se debe definir el criterio de
protección de acuerdo a la geometría particular y las
densidades de corriente consideradas.
Este gradiente de potencial estará en función tanto de la
resistividad del electrólito como de la corriente, así en los
muelles sumergidos en agua salada (con una resistividad de
20 a 40 ohm-cm), la localización de la media celda se puede
hacer a un pie o más retirado pero en los condensadores que
manejan agua aereada de alta resistividad y donde se
necesitan grandes cantidades de corriente, el electrodo se
14
debe localizar a una fracción de una pulgada de la superficie
protegida.
En la medida del potencial, existen numerosos factores como
la difusión del potencial, la variación de éste debido a la
temperatura y la concentración del líquido que pueden ser
causa de error, además existen errores inherentes en el
aspecto eléctrico de la medida, es probable que en trabajos
de campo se obtenga una exactitud no mayor de ±20mv.
CRITERIO DE PROTECCIÓN. La pérdida de iones en un ánodo cesa cuando el sistema
corroíble es polarizado al potencial de circuito abierto del
ánodo. Se ha demostrado que el potencial de circuito abierto
para el acero es de –0.85 volts (referido al electrodo de
Cu/CuSO4) y consecuentemente, el criterio común de
protección es que el potencial de la estructura con respecto
al terreno no sea menos negativo que este valor. Para
tuberías donde la labor de excavación hecha para colocar la
media celda en el terreno adyacente a la tubería es muy alta,
se acostumbra colocar la media celda sobre la superficie del
terreno que se encuentra arriba de la estructura.
Aunque este método puede incluir errores considerables
debidos a la caída de potencia (IR), se ha encontrado
bastante satisfactorio en la mayoría de los casos de
protección de tuberías.
En otros casos se hace necesario calcular la caída de
potencial en el electrólito adyacente a la superficie del
electrodo y asegurar que la lectura del electrodo colocado de
esta manera no tenga un error mayor de 10 a 20 mv.
Algunos trabajos experimentales han demostrado que en el
caso del acero sumergido en soluciones que contienen
15
bacterias sulfato reductoras, el potencial de protección será
de –0.97 volts en lugar de –0.85 volts.
MECANISMO BÁSICO DE LA CORROSIÓN Para que un proceso de corrosión electroquímico se presente
son necesarias condiciones tales como:
1. Un ánodo y un cátodo.
2. Una diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo, la
cual puede deberse a:
Contacto entre metales diferentes.
Variación en la composición química en diferentes
puntos sobre la superficie de un metal.
Imperfecciones superficiales del metal.
Tensiones residuales como resultado de los
procesos de fabricación.
Presencia de bacterias sulfato reductoras.
3. Conexión eléctrica entre el cátodo y el ánodo
(generalmente están en la misma estructura).
4. El ánodo y el cátodo deben estar en contacto con un
electrolito. La humedad atmosférica o del suelo
satisfacen ésta condición
Una vez alcanzadas estas condiciones en el ánodo el
metal se corroe o disuelve, esto puede visualizarse como
el paso del metal a un ión metálico o como la pérdida de
uno o más electrones del átomo metálico, lo que
eléctricamente puede escribirse como:
M Mn+ + ne-
metal ión metálico electrones
16
Como etapa posterior a ésta reacción el ión metálico
pasa al estado mineral de menor potencial, generalmente
a óxidos.
En el cátodo el metal no reacciona pero sobre su
superficie se presentan reacciones de reducción, que
dependiendo del electrolito serán:
Desprendimiento de hidrógeno en medios acuosos:
2 H ++ 2 e- H2↑
Reducción del oxígeno si éste está presente en
medios neutros o alcalinos:
2 H2O + O2 + 4 e- 4 OH-
Reducción del oxígeno si está presente en medios
ácidos y aireados, la cual puede darse en forma
simultánea con el desprendimiento de hidrógeno.
O2 + 4H+ + 4 e- 2 H2O
La diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo es la
diferencia algebraica de sus potenciales individuales en
relación con un mismo electrodo de referencia. Como
normalmente no se emplean metales puros sino aleaciones,
es fundamental conocer el comportamiento electroquímico de
dichos materiales, por ello se han desarrollado las series
galvánicas prácticas en diversos electrolitos, como la
presentada en la Tabla, donde los metales con menores
potenciales se denominan activos o anódicos y se oxidan
cuando se encuentran unidos a metales de mayor potencial.
La velocidad de disolución de un metal es directamente
proporcional a la cantidad de corriente que fluye y la cantidad
total de metal disuelto es proporcionar a la cantidad de
electricidad que ha circulado por él; según la ley de Faraday.
17
La velocidad de corrosión disminuye como resultado de los
efectos de los productos de las reacciones anódicas y
catódicas; es posible medir éstos efectos en términos de
potencial del metal sobre el cual están ocurriendo las
reacciones, de tal forma que el potencial de la superficie del
metal catódico cambia a un valor menos noble y de igual
forma en la superficie anódica se observa que el cambio de
potencial es en sentido contrario, aumenta a un valor más
noble. Ésta variación en el potencial de los electrodos,
cuando circula corriente por ellos se conoce como
polarización.
La electrolisis se utiliza a menudo para el
recubrimiento de metales por electrodeposición
técnica comúnmente conocida como chapado de
metales (mira qué pasa con el sulfato de cobre). Los
cálculos relacionados con este proceso se basan en
las leyes de Faraday: la cantidad de sustancia
depositada en un electrodo es directamente
proporcional a la cantidad de electricidad que ha
circulado por él.
1 Faraday (F) = carga de un mol de electrones = NA* 1,6
*10-19≈96.500 C FIGURA 7
18
PROPIEDADES QUE DEBE REUNIR UN MATERIAL
ANÓDICO
Un metal tendrá un comportamiento anódico con relación a
otro si presenta un potencial más negativo con respecto a
él, de acuerdo a la tabla de potenciales estándar de
electrodo a 25 C0. Sin embargo en la práctica no es así ya
que para que pueda utilizarse un metal como ánodo de
sacrificio tanto desde el punto de vista técnico y económico
debe reunir los siguientes requisitos:
Debe tener un potencial de disolución lo suficientemente
negativo para polarizar la estructura de acero a -0.85
voltios. Sin embargo el potencial no debe ser
excesivamente negativo ya que motivaría un gasto
superfluo con un innecesario paso de corriente.
El ánodo debe presentar una tendencia pequeña a la
dolarización, es decir no debe de desarrollar películas
pasivantes u obstructoras con los productos de corrosión y
tener una fuerte sobretensión de hidrogeno.
El ánodo debe corroerse uniformemente.
El material debe tener un elevado rendimiento eléctrico en
A-Hr/Kg.
El metal será de fácil adquisición y deberá poder fundirse en
diferentes formas y tamaños.
Deberá tener un costo razonable de modo que en
conjunción con unas correctas características
electroquímicas pueda conseguirse la protección a un costo
bajo por A/año.
19
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
Con este método, la estructura a proteger forma parte de un
circuito eléctrico, con una fuente de corriente directa y un
lecho de ánodos.
El lecho de ánodos puede estar formado por grafito,
hierro/silicio/cromo, chatarra, Titanio platinizado, magnetita, etc., cuyo costo dependerá del
consumo en el tiempo, factor determinante en el costo del
proyecto.
Los sistemas de protección catódica por corriente impresa se
utilizan cuando se requieren grandes cantidades de corriente
para la protección de la estructura, la corriente que sale del
ánodo llega a la tubería que se trata de proteger según el
esquema.
FIGURA 8
SENTIDO DE LA CORRIENTE DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON CORRIENTE IMPRESA
DE UNA TUBERÍA.
En este sistema se mantiene el mismo principio
fundamental de la protección catódica, pero tomando en
cuenta las limitaciones del material, costo y diferencia de
potencial con los ánodos de sacrificio, se ha ideado este
20
sistema mediante el cual el flujo de corriente requerido, se
origina en una fuente de corriente generadora continua
regulable o, simplemente se hace uso de los rectificadores,
que alimentados por corriente alterna ofrecen una corriente
eléctrica continua apta para la protección de la estructura.
La corriente externa disponible es impresa en el circuito
constituido por la estructura a proteger y la cama anódica.
La dispersión de la corriente eléctrica en el electrólito se
efectúa mediante la ayuda de ánodos inertes cuyas
características y aplicación dependen del electrólito.
El terminal positivo de la fuente debe siempre estar
conectado a la cama de ánodo, a fin de forzar la descarga
de corriente de protección para la estructura.
Este tipo de sistema trae consigo el beneficio de que los
materiales a usar en la cama de ánodos se consumen a
velocidades menores, pudiendo descargar mayores
cantidades de corriente y mantener una vida más amplia.
En virtud de que todo elemento metálico conectado o en
contacto con el terminal positivo de la fuente e inmerso en
el electrólito es un punto de drenaje de corriente forzada y
por lo tanto de corrosión, es necesario el mayor cuidado en
las instalaciones y la exigencia de la mejor calidad en los
aislamientos de cables de interconexión.
FUENTES DE CORRIENTE
Las fuentes de corriente externa utilizadas en los sistemas
de protección catódica por corriente impresa incluyen:
rectificadores/transformadores AC/DC.
21
En cuanto a los rectificadores se prefieren aquellas unidades
estandarizadas que cumplan con las regulaciones eléctricas
aplicables al área donde sean instalados.
La selección del tipo se hará de acuerdo a lo siguiente:
Las unidades trifásicas serán usadas siempre que se
disponga de suministro eléctrico trifásico.
Los rectificadores y/o demás fuentes de poder son instalados
en localizaciones accesibles, que faciliten su posterior
mantenimiento.
La ubicación está determinada por los siguientes factores:
a) Cercanía a una fuente de energía eléctrica económica.
b) Fuente de energía de corriente continua adyacente al
lecho de ánodos.
c) Área no clasificada.
d) Resguardo y ventilación adecuada.
e) Vías de acceso cercanas.
f) Suelo de baja resistencia, bien humectado.
La capacidad máxima de salida de la fuente de poder deberá
ser 50% (tierra) y 20% (agua) mayor que la capacidad
calculada en el diseño.
Los rectificadores de protección catódica deberán espaciarse
a intervalos a lo largo de la tubería. La separación estará
determinada por los siguientes factores:
a. Capacidad del rectificador y el lecho de ánodos
b. Efecto de corrientes de interferencia (parásitas)
e. Costos
f. Condiciones del electrolito
MATERIAL DE LOS ÁNODOS Para los sistemas de protección catódica por corriente
impresa se usarán ánodos inertes (pasivos), tales como
22
hierro–silicio–cromo, hierro fundido, grafito, titanio y otros
metales como chatarras. Dichos ánodos estarán rodeados
de carbón suave compactado o coque desmenuzado, cuando
sea posible, a fin de aumentar el tamaño efectivo del ánodo.
PROPIEDADES DE LOS ÁNODOS DE CORRIENTE IMPRESA
Los ánodos de chatarra de acero son usados comúnmente
para lechos superficiales, sin embargo también pueden ser
utilizados para lechos profundos
La colocación de los ánodos en el lecho será diseñada de
forma tal que permita una descarga uniforme de corriente.
Los ánodos en los lechos superficiales normalmente se
colocarán en posición vertical a menos que se presenten
rocas o alguna otra obstrucción. En tal caso podrán ser
instalados en posición horizontal de manera de aprovechar
las condiciones del suelo.
23
TABLA 1
Ánodos de Corriente Impresa
Propiedad Fe–Si–Cr Grafito Niobio Lida Chatarra de
platinizado acero Consumo aproximado (kg/A. año)
Agua de mar 1.0 N 8.63x10–6 0.0005 9.1 Suelo 1.0 0.20 1x10–6 0.0071 9.1 1 Fondo del Lago 1.3 N
9.1
Densidad de corriente
Máxima recomendada
(mA/cm2) Agua de mar 0.5 N 40 60 L
Agua dulce 0.6 N 40 11 L Suelo 1.0 0.15 0.15 10 0.5 Voltaje máximo permitido
(voltios) Agua de mar N/L N 60 N/L L
Agua dulce N/L N 60 N/L L Suelo N/L N 60 N/L L Factor de utilización
Recomendado (F utilización)
0.85 0.85 0.90 0.90 0.75
N: No recomendado
L: Si está colgado en agua, no hay límite.
N/L: Sin límite
a. Facilidades de corriente: los lechos de ánodos estarán
ubicados de tal modo de utilizar al máximo la corriente de
protección con un flujo mínimo de corriente de interferencia.
24
b. Accesibilidad: el diseño debe procurar minimizar los
problemas de obtención de derecho de paso a la vez que se
suministre accesibilidad para la instalación, la inspección y el
mantenimiento.
c. Suelo: se preferirá para la ubicación de los lechos de
ánodos los suelos que contengan la mejor combinación de
baja resistividad eléctrica, alta concentración química y
máximo contenido de humedad.
d. Potencial estructura–electrolito: el lecho de ánodos
estará localizado de forma que el potencial entre la superficie
recubierta y el electrolito no exceda los valores reportados en
la siguiente tabla.
POTENCIAL MÁXIMO ENTRE LA SUPERFICIE RECUBIERTA Y EL
ELECTROLITO, MEDIDO RESPECTO AL ELECTRODO DE Cu/CuSO4
Condición
Potencial
Máximo (V)
Suelo de alta resistencia, revestimiento de
alta
adherencia 3
Suelo de alta resistencia, revestimiento de
baja
adherencia 2,5
Suelo de baja resistencia 2
Agua de mar 1,3
TABLA 2
25
DISTANCIA MÍNIMA DEL LECHO DE ÁNODOS A LA
TUBERÍA Las distancias recomendadas del lecho de ánodos de
corriente impresa a la tubería serán definidas de acuerdo con
lo indicado en la siguiente tabla.
Capacidad de corriente Distancia mínima de las del lecho estructuras enterradas
(A) (m) 30 50
50–100 80 100–150 150
FUENTE: Manual de Ingeniería de Diseño de Sistemas de
Protección Catódica de Tuberías Enterradas. Lagoven. Marzo,
1997
TABLA 3
CLASIFICACIÓN DEL MEDIO ELECTROLITO DE ACUERDO CON SU RESISTIVIDAD
FUENTE: API RP 651
TABLA 4
DENSIDADES DE CORRIENTE REQUERIDAS PARA PROTECCIÓN CATÓDICA DE ACERO DESNUDO EN DIVERSOS MEDIOS
(@Tambiente =15 a 25 oC)
Resistividad del medio (ohm–m) Corrosividad Menos de 50 Muy corrosivo
Entre 50 y 100 Corrosivo
Entre 100 y 200 Moderadamente Corrosivo
Entre 200 y 1000 Ligeramente Corrosivo
Mayores a 1000 Progresivamente menos corrosivo
26
Medio Densidad de Corriente (mA/m2) Suelos * 10 a 30 Suelos neutro o estéril ** 5 a 17 Suelo aereado y seco ** 5 a 17 Suelo húmedo 28 a 66 Suelo muy ácido 56 a 170 Suelo con baterías 450 Agua Dulce y Zonas Fangosas *** 11 a 32 Agua Dulce estancada ** 56 Agua Dulce en movimiento ** 56 a 66 Agua Dulce, turbulenta ** 56 a 170 Agua Salada * 50 a 80 Agua Salada en movimiento * 100 a 150 FUENTE: Manual de Protección Catódica: Diseño y
Aplicaciones. Jorge Goldin.
www.biblioteca.redescolar.ilce.edu.mx. Ciencias química. “Más
allá de la herrumbre Cathodic Protection Manual. Royal Dutch
/ Shell Group:
TABLA 5
CRITERIOS QUE SE DEBEN DE TOMAR EN CUENTA PARA EL DISEÑO Para realizar los cálculos de diseño de un sistema de
protección catódica por corriente impresa se requiere de
ciertos datos técnicos, a saber:
a. Área a proteger (m2)
b. Densidad de corriente (mA/m2)
c. Vida útil del sistema de protección catódica (número de
años)
Las ecuaciones siguientes pueden utilizarse para estimar la
resistencia de un lecho de ánodos convencionales profundo
27
o superficial, constituido por ánodos verticales u horizontales
en una línea central común.
RESISTENCIA DE UN LECHO DE ÁNODOS VERTICAL (Rlecho vertical)
R lecho vertical=RN + Rcabezal de cables + Rcama vertical
Dónde:
RN: Resistencia del lecho de ánodos (ohm)
R cabezal de cables: Resistencia del cabezal de cables (ohm)
R cama vertical: Resistencia de la cama de ánodos vertical (ohm)
Ránodo= . (2.3log − 1)(Ec.de Dwignt)
FUENTE: Cathodic Protection Design 1. John Wagner. NACE,
1992. P. 5:20.
Dónde:
Ránodo: Resistencia ánodo vertical–electrolito (ohm)
ρ: Resistividad del medio, medida a una profundidad
correspondiente al centro de la columna (ohm/m)
L: Longitud del ánodo (m)
d: Diámetro (m)
La resistencia ánodo/medio de un grupo de ánodos
verticales, en paralelo, y espaciados equidistantemente entre
sí, en línea recta, es:
RN= R ánodo + Fi
28
FUENTE: Pipeline Corrosion and Cathodic Protection. Third
Edition. Marshall Parker & Edward Peattie. Gulf Publishing
Company.
Houston, 1995. P. 62.
Dónde:
RN: Resistencia del lecho de ánodos (ohm)
R ánodo: Resistencia ánodo vertical (ohm)
N: Número de ánodos
ρ’: Resistividad del medio, medida a una profundidad
correspondiente al centro de la columna de ánodo (ohm/m)
S: Espaciamiento de los ánodos (m)
Fi: Factor de interferencia entre ánodos adyacentes. (Ver
Tabla 7)
FACTORES DE INTERFERENCIA (Fi)
N (No. de ánodos) Fi 2 0.00261 3 0.00290 4 0.00283 5 0.00268 6 0.00252 7 0.00238 8 0.00224 9 0.00212
10 0.00201 11 0.00192 12 0.00183 13 0.00175 14 0.00168 15 0.00161 16 0.00155 17 0.00150 18 0.00145 19 0.00140
29
20 0.00136 21 0.00132 22 0.00128 23 0.00124 24 0.00121 25 0.00118 26 0.00115 27 0.00112 28 0.00109 29 0.00107 30 0.00104
FUENTE: Manual de Ingeniería de Diseño de Sistemas de
Protección Catódica de estructuras enterradas/sumergidas,
PDVSA
Occidente, 1998 (RP–PC–001–98).
TABLA 7
RESISTENCIA DE CABEZAL DE CABLES (Rcabezalde cables) Se define cabezal de cables como la longitud de cable principal al
cual se conectan los ánodos individuales. Comprende, asimismo, la
longitud de los cables de los ánodos.
Rcabezalde cables= [(N-1) x S x Rcable principal] + N x [(Lcable ánodo x Rcable
ánodo)]
Dónde:
R: Resistencia del cabezal de cables (ohm)
N: Número de ánodos
S: Espaciamiento de los ánodos (m)
[(N – 1) x S]: Longitud del cable principal (m)
R cable principal: Resistencia del cable principal (ohm/m) (Ver Tabla 8)
L cable ánodo: Longitud del cable del ánodo (m)
R cable ánodo: Resistencia del cable del ánodo (ohm/m) (Ver Tabla 8)
30
PROPIEDADES DE LOS CONDUCTORES DE COBRE
Calibre Resistencia x 10–3
Capacidad
de
AWG (ohm/m)
Corriente
(A)
18 21.4 5
16 13.4 10
14 8.45 15
12 5.32 20
10 3.342 30
8 2.102 40
6 1.322 55
4 0.8315 70
2 0.5230 95
1 0.4147 110
1/0 0.3288 125
2/0 0.2608 145
3/0 0.2069 165
4/0 0.1640 195
TABLA 8
RESISTENCIA DE LA CAMA DE ÁNODOS VERTICAL (Rcama
vertical)
Rcama vertical=.
[2.3log − 1 + 2.3log(0.656N)] (Ec.de
Sunde) FUENTE: Cathodic Protection Design 1. John Wagner. NACE,
1992. P. 5:20.
Dónde:
31
Rcama vertical: Resistencia de la cama de ánodos vertical (ohm)
ρ: Resistividad del medio (ohm/m)
N: Número de ánodos
S: Espaciamiento entre ánodos (m)
L: Longitud de un ánodo (m)
d: Diámetro de un ánodo (m)
RESISTENCIA DE TOTAL DE CABLES (Rtotalcables)
Resistencia total de los cables positivos y negativo (ohm). (No
incluye la resistencia del cabezal de cables, por cuanto ésta se
calcula según ecuación presentada con anterioridad).
Rtotal cables = Lcable positivo x Rcable positivo + Lcable negativo x Rcable negativo
Esta ecuación se aplica cuando los ánodos se interconectan a un
cabezal de cables que luego se extiende hacia el positivo del
transformador/rectificador.
En aquellos diseños en los que los cables se interconectan
individualmente a una caja de distribución de positivos, la
resistencia total de los cables se calcula a partir de la siguiente
expresión:
Rtotalcables = Rtotal cables positivos + Rtotal cables negativos
Rtotal cable negativo = Lcable negativo x Rcable negativo
= + + +…..+
Rtotal cables positivos = LN x Rcable positivo
R total cables positivos: Resistencia de los cables positivos (ohm). Se
define cable positivo como la longitud de cable que se extiende
desde la cama de ánodo hasta la caja de distribución de positivos.
32
R total cables negativos: Resistencia del cable negativo (ohm). Se define
cable negativo como la longitud de cable que se extiende desde la
estructura protegida hasta el negativo del transformador/rectificador.
L cable negativo: Longitud del cable negativo (m)
R cable negativo: Resistencia del cable negativo (ohm/m) (Ver Tabla 8).
R1, R2, RN: Resistencia del cable conectado R1, R2, R3hasta la RN
respectivamente (ohm)
LN: Longitud del cable conectado al ánodo N (m). También se
conoce como longitud del cable positivo asociado al ánodo N.
R cable positivo: Resistencia del cable positivo (ohm/m) (Ver Tabla 8).
N: Número de ánodos
RESISTENCIA DE LA ESTRUCTURA(R estructura)
Restructura =PprotecciónIrequerida
Dónde:
R estructura: Resistencia de la estructura (ohm)
P protección: Potencial de protección (V)
I requerida: Corriente requerida (A)
RESISTENCIA DEL CIRCUITO (Rcircuito)
Rcircuito =Rlecho vertical + Restructura + Rtotal cables
Dónde:
R circuito: Resistencia del circuito (ohm)
R lecho vertical: Resistencia del lecho vertical (ohm)
R estructura: Resistencia de la estructura (ohm)
R total cables: Resistencia total de los cables (ohm)
33
CORRIENTE REQUERIDA
Irequerida =Ap x i1000
Dónde:
Irequerida: Corriente requerida (A)
Ap.: Área a proteger (m2)
i: Densidad de corriente (mA/m2)
EL VOLTAJE DE SALIDA DEL TRANSFORMADOR/ RECTIFICADOR
Vsistema = (Rcircuito x Irequerida) + 2
FUENTE: Pipeline Corrosion and Cathodic Protection. Third Edition.
Marshall
Parker & Edward Peattie. Gulf Publishing Company. Houston, 1995.
P. 64.
Dónde:
Vsistema: Voltaje del sistema (V)
Rcircuito: Resistencia del circuito (ohm)
Irequerida: Corriente requerida (A)
VIDA UTIL DE UN ANODO La vida útil del ánodo puede calcularse mediante la formula
apacidad
de corriente A x ñ x peso del Anodo (Kg) x rendimiento (%) x Factor de utilizacion
Intensidad (A)
34
Para establecer la salida del rectificador, se emplea la Ley de Ohm.
Se adicionan dos (02) voltios al voltaje del sistema debido a que si
pusiéramos en contacto la tubería de acero enterrada con los
ánodos de hierro/silicio en su relleno de coque metalúrgico, se
formaría una pila de aproximadamente dos (02) voltios por
diferencia galvánica, en la cual los ánodos serían el cátodo de la
pila, y la tubería, el ánodo correspondiente. Si deseamos drenar
corriente en sentido contrario, debemos añadir al voltaje calculado
estos dos voltios, necesarios para vencer la pila anterior.
En el caso de una fila de ánodos verticales paralelos, espaciados
equidistantemente, la resistencia total máxima del circuito será de 2
ohm. Sólo en casos excepcionales, se aceptará una resistencia
máxima de 3 ohm. El especialista deberá definir el estrato con más
baja resistividad a través del Método de Capas de Barnes, lo cual
permitirá la ubicación de los ánodos a la profundidad óptima.
A continuación se presenta un esquema de un lecho de ánodos
vertical.
FIGURA 9
35
2.3. MARCO CONCEPTUAL
Aislamiento Eléctrico Describe la condición de estar eléctricamente aislado de otra estructura
metálica, mediante el uso de empaquetaduras, juntas aislantes y otros
dispositivos.
Ánodo Electrodo de una celda electrolítica en el que se produce la oxidación o
corrosión.
Ánodo Galvánico/Ánodo de Sacrificio
Metal que, debido a su ubicación relativa en la serie electromotriz,
suministra corriente directa de protección a metales que son más
nobles en dicha serie, cuándo ambos están acoplados en el electrólito y
eléctricamente. Estos ánodos constituyen la fuente de corriente en la
protección catódica por ánodos galvánicos.
Juntas Aislantes Accesorio constituido de un material aislante que se intercala entre
estructuras metálicas para separarlas eléctricamente. Estas incluyen
bridas aislantes y juntas monolíticas.
Caída IR
Voltaje a través de una resistencia de acuerdo con la Ley de Ohm.
Cátodo Electrodo de una celda electrolítica en el que se produce la reacción de
reducción y prácticamente no sufre corrosión.
Corriente Impresa
Corriente directa suministrada por una fuente de poder externa al
componente anódico. Entre las fuentes de poder típicas, tenemos:
rectificadores, módulos solares, generadores de motores eléctricos,
baterías y molinos de viento (energía eólica).
36
Corrosión
Deterioro de un metal, o de sus propiedades, debido a su reacción
electroquímica con el medio ambiente.
Densidad de Corriente Corriente directa que circula hacia o desde la superficie de un electrodo
por unidad de área, generalmente expresada como A/m2 o mA/m2,
mA/ft2.
La densidad de corriente óptima para obtener protección catódica varía
dependiendo del ambiente y de la estructura a ser protegida.
Electrodo de cobre/sulfato de cobre Electrodo de referencia muy estable, utilizado para medir niveles de
protección catódica de un metal. Está formado por una barra de cobre
de alta pureza, en contacto eléctrico con una solución saturada de
sulfato de cobre.
Electrolito Medio en el cual se encuentran el ánodo y el cátodo. Sustancia química
o mezcla, usualmente líquida o sólida, que contiene iones que migran
en un campo eléctrico. Para efectos de este proyecto, el término
electrolito se refiere al suelo o líquido adyacente y en contacto con la
estructura metálica enterrada o sumergida, incluyendo humedad, sales
y otros químicos contenidos en él.
Estación de Prueba (Punto de Medición) Dispositivo superficial al cual llegan uno o más cables soldados a la
estructura.
Se instalan en la trayectoria de la estructura con la finalidad de obtener
mediciones de potencial para evaluar el nivel de protección, patrones de
interferencia y drenaje de corriente de las estructuras.
37
Interconexión
Conductor eléctrico, usualmente de cobre, utilizado para interconectar
estructuras diferentes, a fin de evitar cambios apreciables en el
potencial de un punto con respecto al otro o nivelarlos.
Interferencia
Efecto adverso causado sobre estructuras no conectadas a los
sistemas de protección catódica por corriente impresa, generando
corrosión acelerada de las mismas.
Lecho de Ánodos Profundos
Grupo de ánodos instalados en un hoyo vertical, cuya profundidad es
mayor a 20m. Los objetivos que se persiguen con este tipo de lecho son
obtener baja resistencia en el sistema, distribuir uniformemente la
corriente y minimizar la interferencia eléctrica anódica.
Lecho de Ánodos Superficial Grupo de ánodos instalados en un hoyo horizontal, vertical o
direccional, cuya profundidad es menor a 20 m.
Potencial de Protección Potencial mínimo requerido para que una estructura metálica esté
protegida catódicamente.
Protección Catódica Técnica mediante la cual se controla la corrosión de superficies
metálicas inmersas en un medio conductivo o electrolítico, alterando el
potencial natural del metal hacia valores catódicos por medio de la
aplicación de corrientes impresas o galvánicas.
Revestimiento + Protección Catódica
Combinación ideal (costo/calidad) para controlar la corrosión en
estructuras metálicas enterradas o sumergidas.
38
3. DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCION
3.1. Análisis del Sistema Habiéndose producido dos paradas generales de planta debida primero a
una falla en la turbina a vapor y después a un incendio de una de las
calderas, se aprovechó para efectuar inspecciones y mantenimientos a
los demás sistemas de la planta. En estas circunstancias, se detectó que
un tubo submarino que forma parte del sistema de descarga de petróleo
crudo, no se encontraba protegido contra la corrosión. Debido a que el
presupuesto para reparaciones y mantenimiento estaba prácticamente
agotado por los desembolsos efectuados en los demás equipos y
sistemas, fue necesario hacer un diseño de protección catódica por
corriente impresa, alternativo considerando únicamente los materiales y
herramientas existentes en ese momento en la planta, de tal manera que
haciendo los análisis y cálculos correspondientes se decidió usar tubos
de acero al carbono SAE 1018 con un diámetro de 6” como ánodos de
sacrificio, realizando el siguiente trabajo:
Se trasladó los tubos al área de trabajo zona playa.
Se cortó los tubos a medida de 1.50 m.
Se esmerilo el área cortada para que sea más trabajable y no haya
cortes.
Se fabricó argollas que bordeaba el tubo de 6” con orejas de
3”.(figura 1)
Se realizan agujeros de 3/8”a las orejas de dichas argollas.
Se centra las argollas y se fija con soldadura de arco
eléctrico.(figura2 y 3 )
Se cortó 1.80 m de cables NYY de 70 mm2.(figura 4 )
Se instala los cables en los terminales.
Se instala los cables con sus respectivos terminales a cada uno de
los ánodos asegurado con pernos y tuercas 3/8” (figura 5 y 6 )
Se cubre los empalmes con cinta aislante. ( figura 7 )
39
Se cubre los empalmes con cintas mastic. (figura 8,9,10)
Se cubre los empalmes anteriores con un material (manga termo
contraíble) aplicándole calor con la pistola de calor para así quedar
sellado y no haya contacto con el electrolito.(figura 11,12,13,14)
Con apoyo de una excavadora se pasó a limpiar y escavar el área
donde se encontraban los ánodos de sacrificio para ser retirados.
(Figura 15)
Se usó el mismo tendido de cables existente en el campo ya que se
encontraba en buen estado.(Figura 16,17)
Se instaló cada uno de los ánodos fabricados remplazando a los
existentes con el apoyo de la excavadora que hacia presión a los
ánodos para hundirlos.
Se empalma los cables de los cabezales de los ánodos con la línea
principal usando pernos partidos de bronce; una vez realizado este
se empieza a cubrir siguiendo así el mismo procedimiento que se
realizó en los empalmes de los ánodos de sacrificio y los cables
anteriormente.
Una vez terminado se empieza a cubrir los ánodos con la excavadora
devolviendo así la tierra a su sitio hasta una cierta altura luego se
recubre con arena fina esto sirve como guía para saber que nos
encontramos cerca de los cables tendidos.
3.2. CONTRUCCION DEL DISEÑO
CALCULO DE RESISTENCIA DEL LECHO DE ÁNODOS (RN)
L: Longitud del ánodo (m):1.5m
ρ: Resistividad del medio (ohm-m):170 ohm-m
dpm: Diámetro promedio entre el interior y exterior de un ánodo (m):
0.1588m
FI: Factor de interferencia entre ánodos adyacentes. (Ver Tabla 7)
40
Ránodo =0.00521 x 170
1.5 (2.3log8 x 1.50.1588 − 1)
Ránodo= 1.96 ohm
RN= x 1.96 + x 0.00201
RN= 0.264 ohm
CALCULO DE LA RESISTENCIA DEL CABEZAL DE CABLES (ohm) N: Número de ánodos: 10
S: Espaciamiento de los ánodos (m):5m
Lcable ánodo: Longitud del cable del ánodo (m):1.8m
R cable principal: Resistencia del cable principal (ohm/m) (Ver Tabla 8)
Rcabezalde cables= [(10-1) x 5 x 0.2608 x 10-3] + 10 x [(1.8x 0.2608 x 10-3)]
Rcabezalde cables =0.016 ohm
CALCULO DE LA RESISTENCIA DE LA CAMA DE ÁNODOS VERTICAL
L: Longitud del ánodo (m):1.5m
N: Número de ánodos: 10
S: Espaciamiento de los ánodos (m):5m
ρ: Resistividad del medio (ohm-m):170 ohm-m
dpm: Diámetro promedio entre el interior y exterior de un ánodo (m):
0.1588m
Rcama ver =0.00521 x 170
1.5 x 10[2.3log
8 x 1.50.1588
− 1 +2 x 1.5
5 2.3log(0.656 x 10)]
Rcama vertical = 0.344 ohm
41
CALCULO DE LA RESISTENCIA DE UN LECHO DE ÁNODOS VERTICAL
R lecho vertical = 0.264 ohm + 0.016 ohm +0.344ohm
R lecho vertical = 0.624 ohm
1º GRUPO
Rlecho vertical=0.624 ohm
Lcable positivo= 273 m
R cable positivo=0.2608 x 10-3(ohm/m) (Ver Tabla 8)
R cable positivo del grupo 1 = 0.2608 x 10-3 x 273 =0.0712 ohm
2º GRUPO
R lecho vertical=0.624 ohm
Lcable positivo= 200 m
R cable positivo= 0.2608 x 10-3(ohm/m) (Ver Tabla 8) R cable positivo del grupo 2 = 0.2608 x 10-3 x 200 =0.0522 ohm
3º GRUPO
R lecho vertical=0.624 ohm
Lcable positivo= 273 m
R cable positivo=0.2608 x 10-3(ohm/m) (Ver Tabla 8)
R cable positivo del grupo 3 = 0.2608 x 10-3 x 273 =0.0712 ohm
Se aplicara la misma metodología que se usó para el cable positivo,
para el lecho de ánodos de sacrificio.
á = + +
Rtotal del lecho de ánodos vertical = 0.208 ohm
42
RESISTENCIA DE CABLE POSITIVO HASTA EL BUZON DE
DISTRIBUCION DEL GRUPO DE ANODOS
Remplazando valores en la formula
= + +
Rcable positivo= 0.0211ohm
RESISTENCIA DE CABLE POSITIVO DEL RECTIFICADOR HASTA
EL BUZON DE DISTRIBUCION DE GRUPO DE ANODOS
L= 400 m
Resistencia del cable (ohm/m) (Ver Tabla 8)=0.2608 x 10-3
R=400 x 0.2608 x 10-3
R= 0.1043 ohm
RESISTENCIA TOTAL DE CABLE POSITIVO
R total de cable positivo.= Rcable positivo+ R
R total de cable positivo.= 0.1254 ohm
RESISTENCIA DE CABLE NEGATIVO DE LA TUBERIA SUBMARINA HASTA LA CAJA DE PASE
Se aplicara la misma metodología que se usó para el cable positivo
Resistencia del cable principal (ohm/m) (Ver Tabla 8)= 0.5230 x 10-3
= + +
43
L1= 210m R1 = 0.1098 ohm
L2=90m R2 = 0.0471 ohm
L3=90m R3 = 0.0471 ohm
Remplazando valores en la formula
Rcable negativo= 0.0194ohm
RESISTENCIA DE CABLE NEGATIVO DEL RECTIFICADOR HASTA LA CAJA DE PASE
Resistencia del cable principal (ohm/m) (Ver Tabla 8)= 0.5230 x 10-3
L=80m
R= 0.0418 ohm
RESISTENCIA TOTAL DE CABLE NEGATIVO
R total de cable negativo =Rcable negativo+ R
R total de cable negativo = 0.0612 ohm
RESISTENCIA TOTAL DE CABLES
Rtotalcables = Rtotal cables positivos + Rtotal cables negativos
Rtotal de cables =0.1254 ohm + 0.0612 ohm
Rtotal de cables =0.1866 ohm
CALCULO DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO
Restructura = 0.451 ohm
NOTA: La resistencia de la estructura a proteger es dato de la refinería
ya establecido para los ánodos.
Rtotal del lecho de ánodos vertical = 0.208 ohm
Rcircuito = 0.208 + 0.451+ 0.187
Rcircuito = 0.846 ohm
44
CALCULO DE LA CORRIENTE REQUERIDA (A)
Ap.: Área a proteger (m2):12208.89 m2
i: Densidad de corriente (mA/m2) = 80 mA/m2≡ 0.080 A/m2
Irequerida =12208.89 x 0.080
1000
Irequerida =0.977A
CALCULO DE LA POTENCIAL DE PROTECCIÓN (V)
Irequerida =0.977 A
Restructura=0.451 ohm
0.451 =Pprotección
0.977
Protección = 0.441 V
EL VOLTAJE DE SALIDA DEL TRANSFORMADOR/RECTIFICADOR
Vsistema = (0.846 ohm x 0.977A) + 2
Vsistema =2.83 V
FACTOR DE SEGURIDAD EN POTENCIA 20%
Irequerida =1.172 A
Vsistema = (0.846 ohm x1.172 A)+ 2
Vsistema= 2.99 V
45
TIEMPO DE VIDA DEL ANODO
T = . . . .
.
T = 2.54 Años
Peso de ánodo: 42.39 Kg
Rendimiento (%): 0.85
Factor de utilización: 0.75 (Ver Tabla 1)
Capacidad de corriente ( ñ ): 0.11
NOTA: La capacidad de corriente se obtuvo sacando la inversa del
consumo aproximado ( ñ
) (Ver Tabla 1)
3.3. REVISION Y CONSOLIDACION DE RESULTADOS
De los datos obtenidos y cálculos matemáticos realizados se pudo
determinar:
Resistencia del circuito (0.846 ohm).
Corriente requerida del sistema (0.977 A).
Tensión de protección de la estructura (0.441 V).
Tensión del sistema (2.83 V).
Corriente requerida con su factor de seguridad al 20% (1.172 A).
Tensión de sistema con un factor de seguridad al 20% (2.99 V).
Tiempo de vida aproximado de los ánodos (2 años y 5 meses).
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CONCLUSIONES
Las conclusiones a las que se llegó aplicando el método de protección catódica
por corriente impresa al ducto submarino enterado en el mar de la refinería en la
costa central peruana son las siguientes:
Aumento de la disolución anódica de los ánodos de sacrificio de chatarra
sin relleno al “desnudo” en su proceso la corrosión deberá ser uniforme,
pero al aumentar la intensidad el ánodo se "sacrifica" (se disuelve) en
favor del metal que actúa como cátodo aumentando su desgaste, esto se
observa en la cama de ánodos designado para el rectificador.
Hay control de la corrosión, pero se debe tomar en cuenta que existe
pérdida de espesor en los ánodos de sacrificio de “chatarra” en milímetros
por año.
Con este trabajo se ha logrado establecer una metodología que puede ser
útil en el proceso de protección catódica usando acero al carbono
“chatarra” para una protección a corto plazo ya que la chatarra es
reutilizable y a la vez colaborar contra la contaminación de medio
ambiente.
En el trabajo se confirma que la lucha y control de la corrosión es un arte dentro
del mantenimiento y que esta área es bastante amplia, dado al sin número de
condiciones que se encuentran sometidos los metales que forman equipos y
herramientas.
47
RECOMENDACIONES
Se recomienda la utilización del acero al carbono “ chatarra” al denudo
para un sistema de protección catódica por corriente impresa para un
corto tiempo determinado,dependiendo del numero de anodos
utilizados.
Se recomienda utilizar el acero SAE 1018 para el sistema de protección
catódica por corriente impresa por su:
composición química
facilidad de maquinado (cortado, esmerilado y trabajado en soldadura
de arco eléctrico)
La facilidad y costo de encontrar el acero SAE 1018 en el mercado
Se recomienda efectuar inspección visual del sistema de protección
catódica mensualmente, chequeando los medidores de potencia.
Haciendo pruebas en los rectificadores.
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BIBLIOGRAFIA
Comité de Normalización de petróleos mexicano y organismos subsidiarios.
(2007). Diseño, instalación y mantenimiento de los sistemas de protección
catódica. México.
Alvarado Cortes J. (2006). Selección Electroquímica de Compuestos
Orgánicos como Inhibidores de Corrosión en Medio Acido. Pachuca:
Hidalgo.
ARGO S.A. (1965). Sistemas de Protección Catódica. España.
HERBERT UHLIG. (1983). Corrosión y control de corrosión. Ediciones
Urmo.
PDVSA. (1983). Criterios de Diseño Para Sistemas de Protección Catódica.
Venezuela.
Pluas Nolivos E. (2006). Protección Catódica Para Oleoducto Secundario
del Bloque 16 de la Compañía REPSOL.
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ANEXOS
FIGURA 1
FIGURA 2
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FIGURA 3
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FIGURA 5
FIGURA 6
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FIGURA 9
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FIGURA 11
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FIGURA 14
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FIGURA 15
FIGURA 16
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FIGURA 17
Manga abierta con cremallera termocontráctil (Perno partido cobre)
