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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE TECNOLOGÍA DE PETRÓLEOS
“ANÁLISIS DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA
PARA LAS TUBERÍAS DEL SISTEMA DE AGUA CONTRA
INCENDIOS DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO AMAZONAS 1
DEL OLEODUCTO DE CRUDOS PESADOS (OCP), PARA
CONTROL DE LA CORROSIÓN”
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE TECNÓLOGO DE PETRÓLEOS
AUTOR: FRANCO JONATAN IBARRA VISCARRA
DIRECTOR: ING. FAUSTO RAMOS
Quito, Marzo 2014
© Universidad Tecnológica Equinoccial.2012
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN Yo, FRANCO JONATAN IBARRA VISCARRA declaro que el presente
trabajo es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún
grado o calificación profesional; y que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
_________________________
Franco Jonatan Ibarra Viscarra
C.I. 0201813268
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Análisis de un sistema
de protección catódica para las tuberías del sistema de agua contra
incendios de la Estación de bombeo Amazonas 1 del Oleoducto de
Crudos Pesados (OCP), para control de la corrosión” que, para aspirar al
título de Tecnólogo en Petróleos fue desarrollado por Franco Jonatan
Ibarra Viscarra, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias
de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento
de Trabajos de Titulación artículos18 y 25.
___________________
Ing. Fausto Ramos Aguirre M.Sc.
DIRECTOR DELTRABAJO
C.I. 1705134102
AGRADECIMIENTO
Le agredezco a Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi
carrera, por ser mi fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme
una vida llena de aprendizajes, experiencias y sobre todo felicidad.
Le doy gracias a mis padres Ruperto y Sarita por apoyarme en todo
momento, por los valores que me han inculcado, y por haberme dado la
oprtunidad de tener una exelente educación en el transcurso de mi vida.
Sobre todo por ser un exelente ejemplo de vida a seguir.
A mis hermanos por ser parte importante de mi vida y representar la unidad
familiar, en especial a mi hermana Kelyn por brindarme sus consejos y
alegria y estar siempre pendiente ante cualquier problema, por lo que
siempre supe que podia contar con ella.
A Gabriela, por ser una parte muy importante de mi vida, por haberme
apoyado en las buenas y en las malas, sobre todo por su paciencia y amor
incondicional.
A mi profesor, director y tutor de tesis Ing. Fausto Ramos, quien con sus
conocimientos, asistencia y orientación me condujo con éxito para culminar
el presente estudio.
Son muchas las personas que han formado parte de mi vida profesional a
las que me encantaría agradecerles su amistad, consejos, apoyo, ánimo y
compañía en los momentos más difíciles de mi vida. Algunas están aquí
conmigo y otras en mis recuerdos y en mi corazón, sin importar en donde
estén quiero darles las gracias por formar parte de mí, por todo lo que me
han brindado y por todas sus bendiciones.
DEDICATORIA
Este trabajo le dedicó con todo el amor y cariño
principalmente a Dios por guiarme siempre por el
camino del bien, y a mis padres que me dieron la vida y
han estado con migo en todo momento. Gracias por
todo papá y mamá por darme una carrera para mi
futuro y por creer en mí, aunque hemos pasado
momentos difíciles siempre han estado apoyándome y
brindándome todo su amor, por todo esto les
agradezco de todo corazón y espero tenerles siempre a
mi lado.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ...................................................................................................... x
ABSTRACT ................................................................................................... xii
1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ......................................................... 2
1.2. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................... 2
1.3. OBJETIVOS ............................................................................................. 3
1.3.1. OBJETIVO GENERAL .................................................................... 3
1.3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS .......................................................... 3
1.4. VARIABLES ............................................................................................. 3
1.4.1. VARIABLE DEPENDIENTE ........................................................... 3
1.4.2. VARIABLE INDEPENDIENTE ........................................................ 4
2. MARCO TEÓRICO ................................................................................... 5
2.1. CORROSIÓN ........................................................................................... 5
2.1.1 Definición ......................................................................................... 5
2.2. FUENTE DE VOLTAJE ............................................................................ 5
2.3. CELDA DE CORROSIÓN ........................................................................ 7
2.4. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CORROSIÓN ................................ 9
2.4.1. Temperatura ................................................................................... 9
2.4.2. Velocidad de flujo ......................................................................... 10
2.4.3. Oxígeno disuelto .......................................................................... 11
2.4.4. pH ................................................................................................. 12
2.4.5. Humedad ...................................................................................... 13
2.5. FORMAS DE CORROSION ENCONTRADAS EN LAS TUBERIAS ...... 14
2.5.1. Corrosión debido a celdas de composición o por metal distinto ... 14
2.5.1.1. Celda de corrosión por metales diferentes ............................. 14
ii
2.5.1.2. Celda formada por una tubería antigua- tubería nueva .......... 15
2.5.1.3. Corrosión debido a rayaduras en la superficie del metal ....... 16
2.5.1.4. Corrosión por calentamiento debido a soldaduras ................. 17
2.5.2. Corrosión por concentración (diferencias en el electrolito) ........... 17
2.5.2.1. Corrosión por suelos diferentes ............................................. 17
2.5.2.2. Corrosión por aireación diferencial ......................................... 19
2.5.3. Corrosión por picadura (pitting) .................................................... 19
2.5.4. Corrosión dulce o por dióxido de carbono (CO2) ......................... 21
2.5.5. Corrosión ácida por sulfuro de hidrógeno (H2S) .......................... 22
2.5.6. Corrosión bacteriológica ............................................................... 23
2.5.7. Corrientes vagabundas ................................................................ 24
2.5.7.1. Fuentes .................................................................................. 26
2.6. MONITOREO Y EVALUACIÓN DE LA CORROSIÓN ........................... 26
2.6.1. Métodos directos .......................................................................... 26
2.6.2. Métodos indirectos ...................................................................... 27
2.6.2.1. Cupones de corrosión ............................................................ 27
2.6.2.2. Probetas de polarización lineal .............................................. 30
CAPITULO III ................................................................................................ 35
3. UBICACIÓN GEOGRÁFICA DE LA ESTACIÓN AMAZONAS 1. ........... 35
3.1. Descripción del proceso ......................................................................... 36
3.2. SISTEMAS DE AGUA CONTRA INCENDIOS ....................................... 37
3.2.1. Tanque de almacenamiento ......................................................... 37
3.2.2. Sistema de bombeo de agua ........................................................ 38
3.2.3. Bombas centrifugas ...................................................................... 38
3.2.4. Red de distribución ....................................................................... 39
3.2.5. Monitores ...................................................................................... 40
3.2.6. Sistemas de agua pulverizada ..................................................... 42
3.2.7. Sistema de espuma ...................................................................... 43
3.2.7.1. Espuma Fluoroproteínica ....................................................... 44
3.2.8. Carretes de mangueras ................................................................ 44
iii
CAPITULO IV ................................................................................................ 46
4. ANÁLISIS DEL AGUA UTILIZADA EN EL SISTEMA DE AGUA CONTRA
INCENDIOS DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO AMAZONAS 1 DEL OCP. ... 46
4.1. Suministro de Agua (Amazonas inmisión industrial, doméstico) ............ 49
4.2. Índice de Langelier ................................................................................. 49
4.3. Cálculo del índice de Langelier .............................................................. 50
4.4. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN ........................................... 51
4.5. Características de la estructura a proteger ............................................ 52
4.6. PROTECCIÓN CATÓDICA .................................................................... 52
4.7. FUNDAMENTO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA .............................. 53
4.8. SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA........................................... 54
4.8.1. Protección catódica por ánodos de sacrificio ............................... 54
4.8.1.1. Consideraciones acerca de los ánodos ................................. 55
4.8.1.2. Tipos de ánodos ..................................................................... 57
4.8.1.3. Vida de los ánodos ................................................................. 60
4.8.1.4. Ubicación e instalación de los ánodos. .................................. 62
4.8.2. Protección catódica por corriente impresa ................................... 64
4.8.2.1. Fuentes de corriente .............................................................. 66
4.8.2.2. Ánodos auxiliares ................................................................... 68
4.8.3. Resistividad del suelo ................................................................... 69
4.8.3.1. Determinación de resistividad por el método de los cuatro
electrodos ........................................................................................... 70
4.8.4. Mediciones de potenciales estructura/electrólito. ......................... 72
4.8.5. Backfill o Activador ....................................................................... 73
4.8.6. COMPARACIÓN ENTRE LOS DOS SISTEMAS ......................... 74
4.8.6.1. Ánodos de sacrificio ............................................................... 74
4.8.6.2. Corriente impresa ................................................................... 75
4.8.7. Recubrimientos ............................................................................ 76
iv
4.8.8. Tipos de recubrimientos ............................................................... 77
4.9. CÁLCULOS DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA ................. 77
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................ 87
5.1. CONCLUSIONES ............................................................................ 87
5.2. RECOMENDACIONES ................................................................... 89
GLOSARIO DE TÉRMINOS ......................................................................... 90
BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………92
ANEXOS………………………………………………………………………… 94
v
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tabla de la Serie de Fuerza Electromotriz de los Metales ................ 6
Tabla 2. Referencia de velocidades de corrosión de acuerdo al pH............. 13
Tabla 3. Referencia de velocidades de corrosión ......................................... 29
Tabla 4. Análisis de muestras de agua Estación de bombeo Amazonas 1 .. 46
Tabla 5. Valores electroquímicos para el cálculo de la vida de los ánodos .. 61
Tabla 6. Ánodos Galvánicos y su campo de aplicación ............................... 62
Tabla 7. Especificaciones de resistividades de acuerdo al medio que lo
rodea. ............................................................................................................ 70
Tabla 8. Características del Backfill .............................................................. 74
Tabla 9. Calidad y eficiencia de los recubrimientos ..................................... 79
Tabla 10. Densidad de corriente requerida ................................................. 80
Tabla 11. Características de los diferentes tipos de ánodos. ...................... 82
Tabla 12. Resultados del Diseño ................................................................. 86
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Celda de corrosión .......................................................................... 8
Figura 2. Efecto de la temperatura en la velocidad de corrosión ................. 10
Figura 3. Efecto de la velocidad del fluido en la velocidad de corrosión ...... 11
Figura 4. Efecto en metales por la presencia de oxígeno ............................ 12
Figura 5. Corrosión de tuberías debido a materiales diferentes. .................. 14
Figura 6. Corrosión de tuberías debido a materiales diferentes. .................. 15
Figura 7. Corrosión de una tubería nueva debido a su conexión a una
tubería vieja. ................................................................................................. 16
Figura 8. Corrosión debido a rayaduras en la superficie del metal .............. 17
Figura 9. Corrosion por suelos diferentes .................................................... 18
Figura 10. Corrosión debido a variaciones en el suelo ................................ 18
Figura 11. Corrosión por aireación diferencial.............................................. 19
Figura 12. Formas y variaciones de la corrosión por picadura ..................... 20
Figura 13. Corrosión causada por CO2 ...................................................... 21
Figura 14. Corrosión causada por H2S ........................................................ 22
Figura 15. Características del ataque por bacterias ..................................... 24
Figura 16. Mecanismo de corrosión de una tubería por efecto de las
corrientes vagabundas que provienen de un sistema de tracción eléctrica .. 25
Figura 17. Tipos de cupones de corrosión ................................................... 28
vii
Figura 18. Instalación recomendada para LPR ............................................ 32
Figura 19. Corrater Rohrback Cosasco System Model RCS9000................ 34
Figura 20. Ubicación geográfica ................................................................... 35
Figura 21. Ubicación de la Estación de bombeo Amazonas 1, con respecto a
las demás estaciones del OCP ..................................................................... 36
Figura 22. Estación de bombeo Amazonas 1 .............................................. 37
Figura 23. Bomba centrifuga ........................................................................ 39
Figura 24. Tubería de agua contra incendio ................................................ 40
Figura 25. Monitores fijos para agua ............................................................ 41
Figura 26. Sistema de rociadores para tanques........................................... 42
Figura 27. Sistema de espuma .................................................................... 43
Figura 28. Monitores fijos para espuma ....................................................... 44
Figura 29. Carretes de mangueras .............................................................. 45
Figura 30. Fuente de agua que ingresa a la Estación de bombeo Amazonas
1 .................................................................................................................... 49
Figura 31. Esquema de instalación de protección catódica mediante ánodos
de sacrificio ................................................................................................... 55
Figura 32. Presentación de los ánodos de magnesio comercialmente ........ 58
Figura 33. Presentación de los ánodos de zinc comercialmente ................. 59
Figura 34. Presentación de los ánodos de aluminio comercialmente .......... 60
Figura 35. Ánodos instalados verticalmente en agujeros ............................. 63
Figura 36. Ánodos instalados horizontalmente en zanjas ............................ 64
viii
Figura 37. Esquema de la instalación de Protección Catódica mediante
Corriente Impresa ......................................................................................... 65
Figura 38. Esquema de un Transforrectificador Monofásico ........................ 67
Figura 39. Medición de la resistividad del suelo por el método de Wenner o
de los cuatro electrodos. La distancia (b) o sea la profundidad a la que está
enterrada el electrodo (barra de cobre o acero) debe ser pequeña
comparada con la distancia (a) entre los electrodos. .................................... 70
Figura 40. Electrodo de referencia de Cu/CuSO4 ........................................ 73
ix
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 4.1- Cálculo del pH saturado ........................................................ 50
Ecuación 4.2- Cálculo del índice de Langelier ............................................. 51
Ecuación 4.3- Ley de Ohm .......................................................................... 53
Ecuación 4.4- Cálculo del tiempo de vida del ánodo ................................... 61
Ecuación 4.5- Cálculo de la Resistividad ..................................................... 71
Ecuación 4. 6- Área de tubería a proteger ................................................... 78
Ecuación 4. 7- Cálculo de la intensidad de corriente ................................... 80
Ecuación 4.8- Cálculo de la masa anódica requerida .................................. 81
Ecuación 4.9- Cálculo del número de ánodos requeridos ........................... 82
Ecuación 4.10- Cálculo de la resistencia de un ánodo con relleno .............. 83
Ecuación 4.11- Cálculo del voltaje de salida del Rectificador ...................... 84
Ecuación 4.12- Sumatoria de resistencias ................................................... 84
Ecuación 4.13- Cálculo de la capacidad del transformador ......................... 85
x
RESUMEN
El presente estudio se realizó en el Estación de bombeo Amazonas 1 del
Oleoducto de Crudos Pesados (OCP), ubicada en Lago Agrio con el fin de
realizar un análisis de un sistema de protección catódica para el control de la
corrosión en las tuberías del sistema de agua contra incendios.
El fenómeno de la corrosión se produce debido a que los materiales
constructivos, especialmente los metales, se obtienen a partir de especies
minerales estables en condiciones naturales. Una vez extraídos y expuestos
a las condiciones ambientales, tienden a estabilizarse química y
energéticamente. Por tanto, la corrosión es la destrucción de un metal a
través de la interacción con un ambiente (por ejemplo, suelo o agua) por un
proceso electroquímico, es decir, una reacción que envuelve un flujo de
corriente eléctrica e intercambio de iones.
La velocidad a la que un material se corroe es lenta y continua todo
dependiendo del ambiente donde se encuentre, a medida que pasa el
tiempo se va creando una capa fina de material en la superficie, que van
formándose inicialmente como manchas hasta que llegan a aparecer
imperfecciones en la superficie del metal. Este mecanismo que es analizado
desde un punto de vista termodinámico electroquímico, indica que el metal
tiende a retornar al estado primitivo o de mínima energía, siendo la corrosión
por lo tanto la causante de grandes perjuicios económicos en instalaciones
enterradas.
En la práctica suele utilizarse comúnmente el valor de la resistividad eléctrica
del suelo como índice de su agresividad; por ejemplo un terreno muy
agresivo, caracterizado por presencia de iones tales como cloruros, tendrá
resistividades bajas, por la alta facilidad de transportación iónica.
xi
Existen diversos métodos que permiten prevenir y proteger del ataque
corrosivo, la protección catódica es uno de los métodos anticorrosivos más
utilizados para proteger tuberías. No obstante, el sistema de protección
catódica, va acompañado de sistema de protección adicional como
revestimientos y pinturas. (Roberge, 2000).
La protección catódica aprovecha el mismo principio electroquímico de la
corrosión, transportando un gran cátodo a una estructura metálica. Para este
fin será necesaria la utilización de fuentes de energía externa mediante el
empleo de ánodos auxiliares, que difunden la corriente suministrada por un
transformador-rectificador de corriente.
El objeto de esta tesis es el presentar y explicar en forma resumida y
secuencial el proceso de la corrosión y el sistema de control conocido como
Protección Catódica que es aplicado en las tuberías de agua contra incendio
en la estación de bombeo Amazonas 1 del OCP.
xii
ABSTRACT
This study was conducted at the pumping station Amazonas 1 Heavy Crude
Pipeline (OCP), located in Lago Agrio in order to perform an analysis of a
cathodic protection system for the control of corrosion in piping system fire
water.
The corrosion phenomenon is produced because the building materials,
especially metals, are obtained from stable mineral species under natural
conditions. Once extracted and exposed to environmental conditions tend to
stabilize chemical and energy. Therefore, corrosion is the destruction of a
metal through the interaction with an environment (for example, soil or water)
by an electrochemical process, that is, a reaction which involves an electrical
current flow and ion exchange.
The rate at which a material is slowly and continuously corrodes all
depending on the environment where you are, as time passes it is creating a
thin layer of material at the surface, which are initially formed as spots until
they appear imperfections in the metal surface. This mechanism is analyzed
from a thermodynamic electrochemical indicates that the metal tends to
return to the primitive state or low energy, being corrosion thus causing large
economic losses in buried facilities.
In practice it is commonly used the value of the electrical resistivity of the soil
as an index of their aggressiveness, such an aggressive ground,
characterized by the presence of ions such as chlorides, have low
resistivities, on the high ease of ionic transport.
There are several methods to prevent and protect from corrosive attack,
cathodic protection corrosion is one of the methods used to protect pipes.
However, the cathodic protection system, is accompanied by additional
protection system as coatings and paints. (Roberge, 2000).
xiii
Cathodic protection advantage of the same principle of electrochemical
corrosion, transporting a large cathode to a metallic structure. To this end the
use of external energy sources through the use of auxiliary anodes, which
broadcast the current supplied by a transformer-rectifier is required.
The purpose of this thesis is to present and explain in compact and
sequentially process and corrosion control system known as cathodic
protection that is applied in fire water pipes in the pumping station Amazonas
1 OCP.
1
CAPITULO I
1. INTRODUCCIÓN
La corrosión es un problema que aqueja a todas las industrias y en algunos
casos puede ser más complicado que en otros, por ejemplo en industrias
que operan con tuberías que transportan fluidos, tanto gaseosos como
líquidos, que generalmente están en contacto directo con un electrolito a lo
largo de grandes distancias.
La protección catódica es una técnica de control de la corrosión que se
aplica en el mundo entero en instalaciones de ductos para transportar
petróleo, productos terminados, agua, etc.
En la práctica, se puede aplicar protección catódica en metales como acero,
cobre, plomo, latón y aluminio en contacto con todos los suelos y con casi
todos los medios acuosos con el objeto de controlar o eliminar el deterioro
por corrosión en todas sus formas (bajo tensión, intergranular, picadura,
ataque generalizado, etc.).
Como condición fundamental, las estructuras componentes del objeto a
proteger y del elemento de sacrificio deben mantenerse en contacto eléctrico
e inmerso en un electrolito.
Los estudios de protección catódica usualmente emplean potenciales de
reducción; consiste en disminuir el potencial (más negativo) del metal a
proteger por debajo de un valor definido para cada metal en el que
termodinámicamente no hay corrosión electroquímica.
La protección catódica es el único medio preventivo que asegura la
inmunidad del metal contra la corrosión; además, se neutraliza toda corriente
que circula por la estructura y que origina corrosión (corrientes vagabundas).
2
1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
La corrosión es un fenómeno inevitable a largo plazo si no se toman las
precauciones adecuadas. Puede debilitar la integridad estructural de la
tubería y convertirla en un vehículo inseguro para el transporte de cualquier
tipo de fluidos.
El deterioro de las tuberías, la pérdida de las características originales del
material en su parte exterior debido al ambiente en el que se encuentran
generan que el tiempo de vida útil se acorte.
La corrosión es la principal causa de fallo en las conducciones de fluidos. El
fallo de una tubería puede tener múltiples consecuencias como pérdida del
fluido, daños en las instalaciones, contaminación, e incluso puede llegar a
suponer un riesgo para las vidas humanas.
1.2. JUSTIFICACIÓN
La corrosión está presente tanto en ductos como en equipos metálicos
utilizados diariamente en la industria petrolera, por lo cual la corrosión como
tal es un problema el cual podemos solucionar con métodos como la
aplicación de protección catódica y un estudio técnico para mejorar el control
de la corrosión ya que es imposible eliminarla.
En este trabajo se presenta un panorama de lo que representa la corrosión,
y sus formas de prevenirla utilizando protección catódica, ya que a nivel
mundial, es uno de los fenómenos más transcendentales en la economía
debido a que la corrosión equivale 1.5% al 3.5% del Producto Nacional Bruto
en numerosos países.
Un equipo metálico con la debida protección anticorrosiva por diferentes
medios en la industria petrolera tiene una vida útil promedio de hasta 25
años.
3
Por el contrario, sin ninguna protección anticorrosiva su vida útil puede ser
de 6 meses, provocando pérdidas económicas e impactos ambientales.
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. OBJETIVO GENERAL
Análisis de un sistema de protección catódica para las tuberías del sistema
de agua contra incendios de la Estación de bombeo Amazonas 1 del
Oleoducto de Crudos Pesados (OCP), para control de la corrosión.
1.3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Determinar los factores que influyen en la corrosión de las tuberías
del sistema de agua contra incendios, para diseñar un sistema
efectivo que controle la misma.
Describir el proceso de funcionamiento del sistema de protección
catódica.
Establecer un criterio de diseño del Sistema de Protección catódica,
de acuerdo a las características y necesidades que se presente, para
proteger las tuberías de agua contra incendio de la estación de
bombeo Amazonas 1 del OCP.
1.4. VARIABLES
1.4.1. VARIABLE DEPENDIENTE
El tipo de material utilizado en la construcción de las tuberías de agua
contra incendios.
4
1.4.2. VARIABLE INDEPENDIENTE
Análisis del tipo de protección que es utilizado en las tuberías de agua
contra incendios. (Protección catódica).
5
2. MARCO TEÓRICO
2.1. CORROSIÓN
2.1.1 Definición
Consiste en el deterioro de un material, comúnmente un metal, como
resultado de las reacciones de éste con su ambiente. (NACE, 2002).
También puede ser definida como la destrucción o alteración de un metal
debido a la reacción con el medio ambiente, la corrosión de metales es un
proceso electroquímico. De igual manera puede definirse como la tendencia
que tienen los metales a volver a su estado combinado, es decir al estado en
que se encuentran en la naturaleza, que es termodinámicamente hablando,
el estado estable o de menor energía potencial. (Palacios, 1999).
La corrosión de metales es un proceso electroquímico y establece un grave
problema en las industrias y especialmente en la industria petrolera, donde
existe una multitud de agentes corrosivos que atacan las tuberías, equipos y
las deterioran teniendo que tomar medidas en cuanto a prevención y
mantenimiento. La corrosión disminuye el tiempo de vida de muchos equipos
y esto ocasiona gastos enormes de operación para el reemplazo de los
mismos siendo un gran problema por interrupción de la producción.
2.2. FUENTE DE VOLTAJE
La fuente de voltaje en el proceso de corrosión es la cantidad de energía
almacenada en el metal durante el proceso de refinación, por tanto cada
metal requiere diferente energía para ser refinado, en consecuencia tiene
distinta tendencia a corroerse. La medida de voltaje de un metal localizado
en una solución acuosa se denomina el potencial que se relaciona con la
energía desplegada cuando el material se consume, los valores son función
6
tanto del metal como de las características fisicoquímicas del agua que es
medido con respecto al electrodo de hidrógeno en condiciones originales.
La siguiente tabla da algunos de los potenciales, la misma que es conocida
como la serie electromotriz de los metales:
Tabla 1. Tabla de la Serie de Fuerza Electromotriz de los Metales
Fuente. Peabody, A. W. (1967)
Cuanto más bajo (negativo) sea el potencial de un metal, más fácilmente
resultará corroído; del mismo modo cuando mayor sea la diferencia de
potencial entre los dos metales en contacto, tanto mayor será la corrosión
galvánica producida entre ambos, siempre en perjuicio del de menor
potencial.
Esta es la razón por la cual el Oro y el Platino se encuentran comúnmente
en la naturaleza en estado puro, mientras que el Hierro, Aluminio y Magnesio
se encuentran en estado combinado y generalmente como óxidos.
7
2.3. CELDA DE CORROSIÓN
Para que el proceso de corrosión se active, se requiere la existencia de un
circuito eléctrico el cual está formado por 4 elementos, considerados
indispensables en un proceso de corrosión:
Ánodo:
El ánodo es un electrodo de la celda electroquímica o pila de corrosión, y es
el sitio en el cual existe pérdida de metal, por la reacción de oxidación que
básicamente es la pérdida de uno o más electrones, que pasan a ser iones
positivos.
Fe Fe++ + 2e-
Cátodo:
Es aquella porción de la superficie metálica que no se disuelve, pero es el
sitio en el cual ocurre otra reacción química necesaria para el proceso de
corrosión. Los electrones viajan por la superficie metálica hacia el área
catódica donde son consumidas por reacción con los iones presentes en el
agua. El consumo de electrones se denomina reacción de reducción.
2H+ + 2e- H2
En presencia de oxígeno se da las siguientes reacciones:
Para medios ácidos:
O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
Para medios neutros o alcalinos:
O2 + 2H2O + 4e- 4(OH)-
8
Electrolito:
Está, representado por la solución que cubre el ánodo y cátodo o la fase
acuosa, sin la cual no podrían ejecutarse reacciones descritas
anteriormente. El agua debe ser conductiva, es decir tener una cantidad de
sales disueltas (electrolito), a mayor concentración de sales disueltas, mayor
capacidad conductiva del agua.
Puente Metálico:
Debe ser un material, tal que uniendo ánodo y cátodo permita el flujo de
electrones. En el caso de una superficie metálica corroída, el mismo metal
es el conductor electrónico. Esta combinación de ánodo, cátodo, electrolito, y
puente metálico se denomina celda de corrosión.
Figura 1. Celda de corrosión
Fuente. (Curso práctico de corrosión metálica, 2008)
9
Entonces, el aspecto esencial de una reacción electroquímica es: Los
electrones generados por una reacción química en cualquier punto, viajan a
otro punto donde son usados por otra reacción. Por convención se dice que
la corriente eléctrica fluye en dirección opuesta al viaje de los electrones.
Entonces, como los electrones fluyen desde el área anódica hacia el área
catódica, la corriente eléctrica fluye en dirección opuesta, desde el cátodo
hacia el ánodo.
2.4. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CORROSIÓN
Hay innumerables factores que influyen en la corrosión ya sea acelerándola
o causándola. Los más importantes son:
a). Temperatura
b). Velocidad de flujo
c). Oxígeno disuelto
d). pH
e). Humedad
f). Sales disueltas
Además existen otros factores que influyen en la corrosión: tipo de material,
diferencia de potencial entre materiales diferentes, relación del tamaño
cátodo – ánodo.
2.4.1. Temperatura
Los cambios de temperatura tienen gran influencia sobre la velocidad de
corrosión en el agua. Como se conoce, un aumento de la temperatura
incrementa la velocidad de reacción. Generalmente un incremento de diez
10
grados centígrados en la temperatura duplica la velocidad de reacción, es
decir la velocidad de corrosión se duplica.
Figura 2. Efecto de la temperatura en la velocidad de corrosión
Fuente. (Herrera y Paspuel, 2007)
2.4.2. Velocidad de flujo
La velocidad de flujo de agua o gas, es otro de los factores que afectan la
corrosión sobre la superficie del metal. En aguas estancadas, generalmente
la velocidad de corrosión es baja, pero puede ocurrir que se forme corrosión
localizada o pitting. Algunos movimientos en un sistema corrosivo causan
corrosión más uniforme en forma de capas además del pitting.
A altas velocidades, la turbulencia ocasiona la remoción de la película
protectora formada por productos de corrosión, entonces la corrosión es más
intensa. Sistemas que posean áreas de alta y baja velocidad, permite la
depositación de lodos o de sólidos en suspensión en los sitios de baja
velocidad. Estos depósitos de lodo pueden restringir la difusión del oxígeno
produciéndose la corrosión debajo del depósito.
11
Figura 3. Efecto de la velocidad del fluido en la velocidad de corrosión
Fuente. (Herrera y Paspuel, 2007)
2.4.3. Oxígeno disuelto
La sustancia que ocasiona mayores problemas en la industria petrolera es el
oxígeno disuelto en el agua. A tekmperaturas ordinarias, en aguas neutras o
casi neutras, la presencia del oxígeno es necesaria para la aparición de
velocidades apreciables de corrosión. A medida que se aumenta la
concentración de oxígeno en el agua, se incrementa la velocidad de
corrosión.
La velocidad de corrosión depende de la transferencia de oxigeno del aire al
agua y de esta al metal. Esta velocidad no parece muy alta si se compara
con la causada por el ataque acido, pero el permanente suministro de aire
asegura que la reacción de corrosión perdure por un largo periodo de
tiempo. Las soluciones salinas son más corrosivas que las aguas frescas. La
corrosión es proporcional a la cantidad de oxígeno disuelto en ella. La
solubilidad del O2 es dependiente de la concentración salina.
12
Figura 4. Efecto en metales por la presencia de oxígeno
Fuente. (Ramos, 2010)
2.4.4. pH
Una característica importante de los electrolitos es el pH, que depende de la
naturaleza química y que es además, un factor externo que gobierna la
velocidad de corrosión.
Se sabe que cuando el CO2 se disuelve en agua, se ioniza para formar
ácido carbónico el cual actúa bajando el pH, haciéndolo ácido. Este acido
entonces ataca al metal produciendo corrosión.
El H2S también actúa como un ácido débil y la corrosión procede como una
forma de corrosión ácida. Como una regla general, las soluciones ácidas son
más corrosivas que las neutras o soluciones alcalinas. Por tanto el pH es
una de las variables más importantes de la solución que influencian la
corrosión.
13
Para determinar el grado de seriedad del ataque corrosivo se aplica la
siguiente tabla:
Tabla 2. Referencia de velocidades de corrosión de acuerdo al pH
Fuente. (Cáceres, 1991)
2.4.5. Humedad
El agua a baja temperaturas corroe a las superficies metálicas, modificando
el medio electrolito y facilitando la formación de celdas de corrosión.
Las sustancias disueltas en agua pura causan una corrosión suave en el
hierro. Por el contrario el agua que es usada en la industria petrolera
depende del tipo de sustancia disuelta en ella para determinar si puede
corroer o no, como el caso del cloruro de sodio, el dióxido de carbono, el
ácido sulfúrico y el oxígeno aumentan la corrosión, que puede ser prevenida
mediante el uso o aplicación de inhibidores.
14
2.5. FORMAS DE CORROSION ENCONTRADAS EN LAS
TUBERIAS
2.5.1. Corrosión debido a celdas de composición o por metal distinto
2.5.1.1. Celda de corrosión por metales diferentes
Cuando se conectan piezas hechas de diferente metal en un electrolito se
produce una diferencia de potencial y se origina corrosión. Por ejemplo,
cuando se tiene una válvula de latón en una tubería de acero, la válvula es
catódica y la tubería anódica, resultando en la corrosión de la tubería. Otro
ejemplo de este tipo de celda de corrosión es cuando una tubería de cobre
se conecta a una tubería de acero, el acero o hierro fundido es anódico
respecto del cobre. En el punto donde la tubería de cobre es conectada a la
de acero se produce un flujo de electrones del acero al cobre. Esto resulta
en la corrosión del acero y en la relativa protección del cobre.
Figura 5. Corrosión de tuberías debido a materiales diferentes.
Fuente. (Zambrano, 2010)
15
Figura 6. Corrosión de tuberías debido a materiales diferentes.
Fuente. (Zambrano, 2010)
2.5.1.2. Celda formada por una tubería antigua- tubería nueva
Este problema se ha experimentado en un sistema de distribución por
tuberías cuando ha sido necesario reemplazar una sección de tubería en un
viejo sistema. El reemplazamiento se hace generalmente por encontrarse
dañada o averiada por la corrosión.
El caso más frecuente es cuando una tubería nueva se conecta con una
línea vieja, la tubería nueva es siempre anódica y su corrosión dependerá
del tipo del suelo y área relativa entre el cátodo y el ánodo. Si pequeños
tramos de tubería nueva son instalados en una línea vieja, la corrosión se
producirá a ritmos acelerados debido a que el pequeño ánodo tendrá que
suplir la corriente requerida por la comparativamente, mayor área del cátodo,
conformada por la línea vieja.
16
Figura 7. Corrosión de una tubería nueva debido a su conexión a una tubería vieja.
Fuente. (Cáceres, 1991)
2.5.1.3. Corrosión debido a rayaduras en la superficie del metal
Otro tipo común de celda galvánica es la que resulta debido a rayaduras en
la superficie del metal. Los rayones debido a herramientas se convierten en
áreas anódicas al ser enterrada la línea.
Lo mismo ocurre con las superficies pulidas de las roscas que quedan al
descubierto al ensamblarse con otros accesorios o tuberías. Bajo ciertas
condiciones, estas celdas pueden ser muy destructivas debido a la
proporción tan desfavorable entre las regiones anódicas y catódicas.
Es importante notar que en el caso de tubería galvánica cuando esta sufre
rayaduras, puede no corroerse debido a que el zinc es anódico respecto del
material expuesto y lo protege.
17
Figura 8. Corrosión debido a rayaduras en la superficie del metal
Fuente. (Zambrano, 2010)
2.5.1.4. Corrosión por calentamiento debido a soldaduras
Este tipo de corrosión se manifiesta en las secciones donde se han unido
piezas por medio de soldadura, el diferencial de temperatura a la que se
someten durante el proceso de unión crea microestructuras, las cuales
difieren del resto del material y poseen una tendencia a producir corrosión.
En todos los casos encontrados, tanto en las uniones de las tuberías así
como en la unión de las diferentes piezas que conforman un tanque, el
proceso de corrosión se inicia en los puntos de soldadura.
2.5.2. Corrosión por concentración (diferencias en el electrolito)
2.5.2.1. Corrosión por suelos diferentes
La corrosión de una tubería puede originarse debido a variaciones en la
composición del suelo a lo largo de la longitud, como se muestra en la figura
9. La tubería en contacto con el suelo de menor resistividad o, sea, el más
corrosivo, se comparará, anódicamente.
Después de ser colocada y enterrada puede entrar en contacto con
porciones de tierra de diferente tipo de suelo. Estas celdas se originan
debido a variaciones del tipo de suelo en función de la profundidad, su
mezclada, y uso de esta mezcla de suelos como relleno. Estas celdas su
pueden prevenir, utilizando arena limpia como relleno.
18
Figura 9. Corrosion por suelos diferentes
Fuente. (Zambrano, 2010)
Corrosión debido a variaciones en el suelo a causa de excavaciones,
nivelación de tierras o por la mezcla de suelos de diferente tipo con material
de relleno.
Figura 10. Corrosión debido a variaciones en el suelo
Fuente. (Zambrano, 2010)
19
2.5.2.2. Corrosión por aireación diferencial
Otra fuente importante de celda de corrosión es la condición referida como
aireación diferencial. Supongamos que tenemos una tubería enterrada en un
suelo uniforme, pero en algunas áreas de la línea existe un suministro de
oxígeno (bien aireada) mientras en otras áreas existe deficiencia de oxigeno
(pobremente aireada).
Bajo estas condiciones, la tubería en el suelo bien oxigenado, será catódica
y el tubo en el suelo pobremente aireado será anódico y se corroerá.
Figura 11. Corrosión por aireación diferencial
Fuente. (Cáceres, 1991)
2.5.3. Corrosión por picadura (pitting)
Es una forma de corrosión localizada, la cual resulta en agujeros o
cavidades que se inician en la superficie metálica.
Estas cavidades pueden ser llenadas por productos de corrosión, estos a su
vez pueden formar cápsulas sobre las cavidades, las cuales son descritas
20
como tubérculos. En la siguiente figura se puede observar esta forma de
corrosión.
Figura 12. Formas y variaciones de la corrosión por picadura
Fuente. (Pierre, 2000)
Las cavidades con agujeros generalmente tienen la forma de un orificio
cónico o hemisférico y sus paredes son irregulares cuando son vistas bajo
un microscopio.
El picado ha causado más de una pérdida inesperada por corrosión que
cualquier otro tipo ya que se presenta de manera imprevista y una vez
iniciada es difícil de controlar, además es una forma de corrosión muy
peligrosa, porque muy poca pérdida total de peso es suficiente para destruir
un material o un equipo de producción.
El picado generalmente ocurre sobre una superficie metálica sumergida en
una solución o ambiente húmedo como el suelo, o también sobre una
superficie expuesta a la atmósfera si hay gotas de humedad o películas de
condensado sobre la superficie metálica.
21
2.5.4. Corrosión dulce o por dióxido de carbono (CO2)
Es uno de los principales problemas que sufre la industria petrolera, ya que
ocasiona deterioro severo en los equipos e instalaciones de producción,
almacenaje y transporte. El material de construcción más utilizado por su
bajo costo es el acero al carbono, el cual es más propenso a ser atacado por
la corrosión, debido a la presencia de un alto contenido de dióxido de
carbono (CO2), éste en presencia del agua libre es muy corrosivo, por la
producción de debido a ácido carbónico (H2CO3). A medida que la presión
parcial de CO2 aumenta, las velocidades de corrosión se incrementan. La
reacción describe el proceso se observa a continuación:
CO2 + H2O H2CO3
El ácido carbónico reacciona con el hierro y otros productos:
Fe + H2CO3 Fe CO3 + H2
El dióxido de carbono (CO2) en presencia del agua libre es muy corrosivo,
debido a que produce ácido carbónico (H2CO3). A medida que la presión
parcial de CO2 aumenta, las velocidades de corrosión incrementan.
Figura 13. Corrosión causada por CO2
Fuente. (Ramos, 2010)
22
2.5.5. Corrosión ácida por sulfuro de hidrógeno (H2S)
El H2
S es un gas que se disuelve en agua, en pequeñas cantidades puede
crear un medio muy corrosivo. El producto de la corrosión es el sulfuro de
hierro, un depósito negro, el que se forma mediante la siguiente reacción:
Fe + H2S FeS + H
2
El acero es anódico en relación al FeS por lo que este depósito incrementa
la corrosión formando canales profundos, así a esto se suma la acción del
hidrógeno atómico formado por el proceso de corrosión el cual se difunde a
través de los límites de los granos del metal, para luego combinarse a H2,
causará efecto de ampollamiento y pérdida de espesor que daría lugar a una
menor resistencia del material y que falle por rotura, a esta corrosión se la
conoce como corrosión amarga o agria.
Al haber mayor cantidad de H2S hay incremento de la acidez del agua
cuando está disuelto en ella ya que la presencia de iones hidrógeno
conducen a la formación de sulfuro de hierro aumentando la velocidad de
corrosión.
Figura 14. Corrosión causada por H2S
Fuente. (Ramos, 2010)
23
2.5.6. Corrosión bacteriológica
Definida como el proceso resultante de la actividad de organismos vivos.
Usualmente por sus procesos de ingestión de nutrientes y eliminación de
desperdicios que son ácidos o hidróxidos corrosivos que atacan el material.
(Palacios, 1999).
Aunque el hierro por lo general no sufre corrosión apreciable en aguas
naturales, en algunos medios se encuentran velocidades de corrosión
anormalmente elevadas. Se ha rastreado la causa de estas elevadas
velocidades hasta relacionarlas con la presencia de Bacterias reductoras de
sulfatos (sporovibrio desulfuricans).
Las bacterias sulfato reductoras con un tamaño aproximado de 1x 4 micras y
de forma redondeada se encuentran muy extendidas en muchas aguas y
suelos y florecen sólo bajo condiciones de escasa o nula aireación y en una
zona aproximada de pH comprendida entre 5,5 y 8,5. (Uhlig’s, 2000)
Las bacterias reductoras de sulfatos reducen con facilidad los sulfatos
inorgánicos a sulfuros en presencia de H2 o materia orgánica, proceso que
se facilita por la presencia de una superficie de hierro, estas bacterias son
causantes de grandes daños en la industria petrolera en el transporte de
crudo.
Las bacterias sulfato reductoras entre otros microorganismos vivos ya sea
aerobios o anaerobios provienen directamente del yacimiento, se encuentran
en el agua asociada al crudo. Para la determinación de bacterias se realiza
un ensayo de inoculación, a través de viales bacteriológicos.
24
Figura 15. Características del ataque por bacterias
Fuente. (NALCO “Corrosión en la Industria Petrolera”, 2007)
2.5.7. Corrientes vagabundas
Las corrientes vagabundas pueden definirse como una corriente que circula
hacia una estructura, ésta corriente no forma parte del circuito eléctrico
previsto y crean una perturbación eléctrica en la estructura metálica
mediante un intercambio de corriente entre la estructura y el medio
electrolítico.
La magnitud, de estas corrientes, es variable y depende esencialmente de la
naturaleza y funcionamiento de la fuente que las emite.
La corrosión se produce siempre en los lugares en donde la corriente sale de
la estructura que ha recorrido, provocando una disolución anódica tanto más
peligrosa cuanto más localizada esté.
25
Figura 16. Mecanismo de corrosión de una tubería por efecto de las corrientes
vagabundas que provienen de un sistema de tracción eléctrica
Fuente. (Royuela, 1991)
Según la Ley de Faraday, el peso de metal corroído es proporcional a la
cantidad de corriente que se descarga desde el metal hacia el electrolito.
La corrosión por corrientes vagabundas es un gran problema, ya que por lo
general son corrientes muy grandes. Mientras que la corrosión provocada
por otras causas puede generar algunos miliamperios de corriente, una
corriente vagabunda puede ser de varios cientos de amperios.
Una corriente de 100 amperios como puede ser una corriente de transporte
ferroviarios destruiría 9100 kg (2000 libras) de acero en un año. Por lo tanto,
al encontrar una corriente vagabunda, es necesario encontrar la fuente que
la origina e implementar una solución.
26
2.5.7.1. Fuentes
Las corrientes vagabundas pueden producirse por cualquier sistema que
conduce una corriente eléctrica. Las fuentes más típicas de corrientes
vagabundas son:
Sistemas de protección catódica en estructuras enterradas o
sumergidas cercanas a la estructura a proteger.
Sistemas de soldadura en donde la conexión a tierra de la estructura
está a alguna distancia de los electrodos de soldadura.
Líneas de transmisión eléctrica.
2.6. MONITOREO Y EVALUACIÓN DE LA CORROSIÓN
El monitoreo de la corrosión, por su parte, emplea una variedad de técnicas
destinadas a determinar qué tan corrosivo es el ambiente del sistema y a
que tasa o rapidez se experimenta la pérdida de metal. La medición de la
corrosión es un método cuantitativo por medio del cual la efectividad de las
técnicas de control y prevención de la corrosión pueden ser evaluadas y
proveer la retroalimentación necesaria para optimizarlas.
Existe una amplia variedad de técnicas para la medición de la corrosión, las
cuales incluyen:
2.6.1. Métodos directos
Los métodos directos son los siguientes:
a) Inspección visual
b) Inspección Ultrasónica
27
c) Calibradores de perfil para la corrosión
d) Tramos cortos de prueba
e) Radiografías
2.6.2. Métodos indirectos
a) Cupones de corrosión
b) Probetas de resistencia eléctrica
c) Probetas de polarización lineal
2.6.2.1. Cupones de corrosión
La técnica de pérdida de peso (cupón de corrosión), es la más simple y la
más conocida de todos los métodos de monitoreo de corrosión.
Esta técnica se basa en la exposición por un tiempo determinado de una
muestra (cupón) del mismo material de la estructura supervisada, en el
mismo ambiente corrosivo al que la estructura está expuesta.
Los cupones de corrosión tienen diferentes presentaciones y van de acuerdo
a las necesidades del sistema como se muestra a continuación.
28
Figura 17. Tipos de cupones de corrosión
Fuente. (NACE International, 2003)
La medición obtenida de los cupones al analizarse es la pérdida de peso que
ocurre en la muestra durante el período de tiempo al que ha sido expuesto,
expresada como tasa de corrosión.
Estos cupones se colocan de manera paralela al fluido para controlar el
desgaste a través del tiempo, por lo general se colocan primero que los
cupones de escala, para evitar la turbulencia que estos provocan y no
obtener datos equivocados.
Cuando se hace la evaluación de los cupones, se saca y se lava con xileno,
HCl (15%), agua destilada, agua carbonatada, y por último con IPA; una vez
hecho esto se hace secar y se pesa en la balanza analítica, por diferencia de
pesos se saca la velocidad de corrosión usando la siguiente fórmula:
29
Ecuación 2.1- Cálculo velocidad de corrosión
Dónde:
CR: Velocidad de corrosión promedio (mpy).
mpy: milésimas de pulgada por año
W: Pérdida de peso (g).
A: Área inicial de la superficie expuesta del cupón (pulg2).
T: Tiempo de exposición (días).
D: Densidad de la aleación (g/cm3).
Tabla 3. Referencia de velocidades de corrosión
Insignificante
Leve
Moderada
Severa
2 - 5
5 - 10
0,1
0,15 - 0,2
0,20 - 0,35
0,5 - 1
Fuente. (Gordillo y Santana, 2008)
30
La simplicidad de esta medición es tal, que la técnica de monitoreo con
cupones es el método básico utilizado en muchos programas de inspección
de la corrosión. Esta técnica es extremadamente versátil, debido a que los
cupones de pérdida de peso pueden ser fabricados en cualquier aleación
comercial disponible.
Entre las ventajas que nos proporcionan los cupones de pérdida de espesor
son:
La técnica es aplicable a todos los ambientes (gases, líquidos y flujos
con partículas sólidas).
Puede realizarse inspección visual.
Los depósitos de incrustación pueden ser observados y analizados.
La pérdida de peso puede ser fácilmente determinada y la tasa de
corrosión puede ser fácilmente calculada.
La corrosión localizada puede ser identificada y medida.
La eficiencia de los inhibidores pueden ser fácilmente determinada.
En un típico programa de monitoreo, los cupones son expuestos entre unos
45 a 90 días antes de ser removidos para análisis de laboratorio. Una de la
desventaja de la técnica de cupones es que, si la tasa de corrosión varía
durante el período de exposición, es decir, si se incrementa o disminuye por
alguna causa, dicho evento pico no sería evidenciado en el cupón, sin
poderse determinar su duración y su magnitud.
2.6.2.2. Probetas de polarización lineal
La técnica LPR está basada en una teoría electroquímica compleja. Para su
aplicación en mediciones industriales, ha sido simplificada a un concepto
básico. En términos fundamentales, un pequeño voltaje (o potencial de
polarización) es aplicado a un electrodo en solución. La corriente necesitada
para mantener una tensión (típicamente 10mV) es directamente proporcional
a la corrosión en la superficie del electrodo sumergido en la solución. Por
31
medio de la medición de la corriente, la tasa de corrosión puede ser
deducida.
La ventaja de la técnica LPR es que la medición de la tasa de corrosión es
hecha instantáneamente. Esta es una herramienta más poderosa que las
probetas E/R o los cupones cuando la medición fundamental no es la
pérdida de metal si no la tasa de corrosión, y cuando no se desea esperar
por un período de exposición para determinarla.
La desventaja de la técnica LPR es que esta sólo puede ser ejecutada
exitosamente en medios acuosos electrolíticos. Las probetas LPR no
funcionan en gases o emulsiones de agua/crudo, en donde los electrodos
puedan asentarse depósitos o impurezas que les impidan actuar
debidamente
Los electrodos en este tipo de probetas son hechos de un material similar al
del sistema que se va a evaluar. Las probetas deben ubicarse
cuidadosamente donde se sospecha la corrosión está ocurriendo para
obtener lecturas que representen el verdadero desgaste que el sistema
experimenta. Así como un cupón muestra diferentes medidas de corrosión
cuando no se instala perpendicular al flujo, la probeta puede rendir lecturas
distintas que dependen de las posiciones de los electrodos en el sistema.
Ambos electrodos siempre deben estar siempre en contacto con el flujo para
producir una lectura de velocidad de corrosión confiable. La colocación
apropiada de la probeta permite el contacto directo del flujo hacia los
electrodos
Para estudiar corrosión general los electrodos deben llegar hasta la mitad
del fluido. Si se quiere estudiar una corrosión localizada en la pared de la
tubería se deben localizar los electrodos cerca del borde de las tuberías.
La posición para instalar los electrodos es de 45º con referencia a la línea de
flujo como se muestra a continuación en la figura 18.
32
Figura 18. Instalación recomendada para LPR
Fuente. (Gordillo y Santana, 2008)
Los electrodos, cuando están nuevos tienen las siguientes medidas: 3/16
pulg de diámetro x 1 ¼ pulg de longitud. Como en los electrodos se produce
la corrosión, el diámetro de estos disminuye en el punto donde esta
reducción comienza a afectar las lecturas de corrosión y, entonces, deben
ser reemplazados los electrodos. Se recomienda hacer la sustitución cuando
el diámetro al menos es reducido a menos de 5/32 pulg.
Los electrodos, cada vez que van a ser colocados, deben manipularse con
una tela o un papel limpio para evitar que se contaminen.
Los electrodos deben estar sumergidos 100% todo el tiempo en un electrolito
o corriente conductivo. Por consiguiente la probeta no debe ser instalada en
ambientes donde:
33
- Los electrodos estén en burbujas de aire atrapadas o cavidades con aire
- Medios Bifásicos
- Medios o corrientes no conductivos
- Altas formaciones de depósitos no conductivos
Las probetas de polarización lineal son conectadas mediante un cable a un
instrumento llamado CORRATER, que permite directa y exactamente
determinar lecturas de velocidad de corrosión de menos de un mpy (0,025
mm por año) y por encima de 100 mpy (2,5 mm por año) en pocos minutos.
El método de las LPR, trabaja extremadamente bien para medidas de
corrosión en líquidos eléctricamente conductivos, aunque no puede ser
utilizado en hidrocarburos puros o gases.
2.6.2.2.1. Corrater
El corrater ha sido diseñado para mejorar y facilitar las operaciones que
permitan un mejor control de la corrosión en soluciones electroconductoras
Este método de determinar la corrosión es general en referencia a las
probetas de polarización lineal.
Un corrater es un instrumento que determina medidas de corrosión a partir
de una pequeña diferencia de potencial aplicada entre dos o tres electrodos.
Dentro de ciertas limitaciones, esta corriente puede relacionarse a la
proporción de la corrosión en general. Además, los sistemas del corrater
pueden medir también la tendencia a producirse corrosión por picadura.
El Rohrback Cosasco System Model RCS9000, es un instrumento que mide
la proporción de corrosión con el método de LPR. Puede usarse en líneas de
agua o gas.
34
Es así que tiene dos medidas: estándar y flush, ambas formas tienen opción
para dos o tres electrodos.
Figura 19. Corrater Rohrback Cosasco System Model RCS9000
Fuente. (Tamayo, 2009)
35
CAPITULO III
3. UBICACIÓN GEOGRÁFICA DE LA ESTACIÓN AMAZONAS
1.
La Estación de bombeo Amazonas 1 se encuentra ubicada en el Cantón
Lago Agrio Provincia de Sucumbíos, a 330 msnm, con una Capacidad de
transporte de 410.000 barriles por día, y cuenta con:
4 tanques de almacenamiento de 300.000 barriles cada uno
6 skids se medición
5 hornos
5 bombas principales
5 bombas de refuerzo
1 Sistema de Generación eléctrica
Sistema de medición de salida
Sistema contra incendio de agua y espuma.
Sistema de abierto y cerrado para controlar los fluidos que salen de la
estación.
Figura 20. Ubicación geográfica
Fuente. (Valencia, 2009)
36
Figura 21. Ubicación de la Estación de bombeo Amazonas 1, con respecto a las
demás estaciones del OCP
Fuente. (OCP)
3.1. Descripción del proceso
La operación de transporte de crudo pesado del OCP se inicia con el arribo
del hidrocarburo de los usuarios por medio del oleoducto secundario a la
estación Amazonas a 5km de la ciudad de Nueva Loja.
Al llegar a la estación pasa por un sistema de ingreso y medición del crudo,
así se cuantifica el ingreso del producto que entrega cada empresa. Luego
de este proceso el crudo es enviado a uno de los cuatro tanques de
almacenamiento, la capacidad total neta de la estación es de 1.200.000
barriles.
Para iniciar su transporte el crudo es calentado indirectamente por un
sistema de recirculación de aceite térmico e intercambio de calor. Las
bombas principales dan el impulso necesario para que el crudo tenga la
presión suficiente para iniciar el recorrido.
ESTACIÓN
AMAZONAS
1
37
Figura 22. Estación de bombeo Amazonas 1
Fuente. (OCP)
3.2. SISTEMAS DE AGUA CONTRA INCENDIOS
El sistema de agua contra incendios en la estación Amazonas 1 del OCP,
consta de los siguientes equipos según la NORMA PE-SHI-018 (Sistemas
de agua contra incendios para instalaciones petroleras).
3.2.1. Tanque de almacenamiento
Los requerimientos de agua contra incendio para tanques de
almacenamiento, se establecen en base al consumo de agua para la
generación de espuma.
Adicionalmente, se deberán agregar los consumos de agua de enfriamiento
para el tanque incendiado y los tanques adyacentes.
La aplicación del agua requerida para el enfriamiento del tanque incendiado
y los tanques adyacentes, podrá efectuarse mediante el uso de monitores,
mangueras, o sistemas fijos de agua pulverizada.
38
En ningún caso, el requerimiento total de agua contra incendios en una
instalación de almacenamiento, será menor de 227 m3/h (2.000 GPM).
3.2.2. Sistema de bombeo de agua
Deberá disponerse de un mínimo de dos (2) grupos de bombeo accionado
por sistemas motrices diferentes. Cada grupo con capacidad para
suministrar un cincuenta por ciento (50% del caudal de diseño a la presión
de descarga de 10,5 kg/cm2 (50 lbs/pulg2). Este requerimiento podrá ser
cubierto con grupos de bombeo accionados por motores eléctricos, motores
diesel o turbinas a vapor. En todo caso, un grupo de bombeo deberá
accionarse con motor diesel.
Adicionalmente, deberá disponerse de una capacidad de bombeo accionada
por motor diesel, tal que en caso de mantenimiento de alguna de las bombas
del arreglo típico mencionado en (a), o de falla eléctrica, se garantice el cien
por ciento (199%) de la capacidad de diseño.
Resulta conveniente no especificar bombas contra incendio con capacidad
mayores a los 900 m3/h (4.000 gpm), ni inferiores a 113 m3/h (500 gpm).
Para el caso de utilizarse motores diesel, la capacidad mínima del tanque de
combustible deberá ser suficiente para garantizar un funcionamiento
continuo de seis (6) horas, en condiciones de máxima potencia.
3.2.3. Bombas centrifugas
La característica principal que deberán satisfacer las bombas centrífugas
para uso contra incendio, es la de presentar una curva de presión versus
caudal relativamente plana. Esto garantizará un nivel de presión estable para
diferentes caudales de operación, facilitando la operación de varias bombas
en paralelo.
39
No se deberán usar bombas de tipo reciprocante para sistemas de agua
contra incendio.
Se usarán bombas centrífugas horizontales y verticales, dependiendo de la
altura de succión disponible desde la fuente de abastecimiento.
Figura 23. Bomba centrifuga
Fuente. (OCP, Estación de bombeo Amazonas 1)
3.2.4. Red de distribución
Conjunto de tuberías, válvulas y accesorios, que permiten la conducción del
agua desde las fuentes de alimentación hasta los puntos de conexión de
cada sistema de protección contra incendios.
Las tuberías principales de la red de agua contra incendios, se tenderán a
nivel del terreno, convenientemente soportadas y ancladas de acuerdo a
normas y prácticas aprobadas de ingeniería. Las tuberías principales se
enterrarán únicamente en puntos críticos, tales como cruces con carreteras
o vías de acceso. Cuando se determine que las tuberías y/o ramales
interiores, pueden estar sometidos a daños por incendio/explosión, serán
enterrados o protegidos adecuadamente.
Las tuberías serán de acero al carbono, según ASTM A-53 Gr. B, ASTM A-
106 Gr. B o API-5L Gr. B., Sch. 40 como mínimo.
40
Se deberá prestar especial atención a la protección del sistema de tuberías
frente a la corrosión, tanto interna como externa, particularmente en tramos
enterrados, o cuando se instalen en ambientes corrosivos.
Figura 24. Tubería de agua contra incendio
Fuente. (OCP, Estación de bombeo Amazonas 1)
3.2.5. Monitores
Dispositivo fijo, portátil o móvil, de accionamiento manual, remoto o
automático, diseñado para descargar un caudal de agua o espuma en forma
de chorro directo o niebla.
Los monitores fijos son dispositivos que permiten la aplicación de
agua/espuma para combate de incendios, que pueden ser puestos
rápidamente en operación sin necesidad de conectar mangueras, ni estar
constantemente atendidos.
Por estas razones, en instalaciones con poco personal, se consideran los
dispositivos básicos de protección. Estos monitores se ubicarán
41
estratégicamente de forma tal que faciliten y hagan más efectivas las labores
del combate de incendios y el enfriamiento de los equipos.
Los monitores estarán dotados con boquillas del tipo chorro-niebla, con
capacidad mínima de 113 m3/h (500 gpm) a una presión de 7 kg/cm2 (100
Ibs/pulg2). En la ubicación de estos dispositivos deberá tomarse en cuenta el
alcance del chorro de descarga a la presión de entrada, la velocidad y
dirección del viento.
Los monitores deberán ubicarse a una distancia no menor de 15 metros (50
pies) de los equipos que protegen. En instalaciones de difícil acceso, deberá
considerarse la instalación de monitores accionados a control remoto y/o en
estructuras elevadas cuando sea necesario.
Figura 25. Monitores fijos para agua
Fuente. (OCP, Estación de bombeo Amazonas 1)
42
3.2.6. Sistemas de agua pulverizada
Estos sistemas fijos de agua contra incendio, se usa comúnmente en la
protección de equipos de proceso y estructuras, tanques y recipientes de
líquidos y gases inflamables, equipos eléctricos y equipos rotativos.
En general, un sistema de agua pulverizada puede usarse eficazmente para
lograr, o una combinación, de los siguientes objetivos:
a) Extinción del incendio
b) Control del incendio
c) Protección contra incendios externos
d) Prevención del incendio
Un sistema fijo de agua pulverizada consiste fundamentalmente en un
conjunto de tuberías, conectadas a un suministro confiable de agua y
equipadas con número suficiente de boquillas para la descarga de agua en
forma de neblina, sobre el equipo protegido.
La conexión a la red de alimentación, se realiza mediante una válvula
automática y/o manual en dos (2) sitios diferentes, preferiblemente opuestos,
del anillo de agua contra incendio.
Figura 26. Sistema de rociadores para tanques
Fuente. (Lira, 2009)
43
3.2.7. Sistema de espuma
El sistema de espuma está conformado por un tanque de químico para la
formación de espuma, una bomba de inyección a diesel y el sistema
proporcionador de espuma.
El agua se mezcla con la espuma concentrada por una bomba presurizadora
en una proporción adecuada, luego la mezcla se dirige hacia el formador de
espuma, la cual induce aire a la corriente de agua concentrada que circula
por éste, para luego generar y expandir el líquido espumógeno para combatir
un posible incendio.
Figura 27. Sistema de espuma
Fuente. (OCP, Estación de bombeo Amazonas 1)
El sistema de espuma-agua alimenta a los monitores de espuma y a los
tanques de almacenamiento de la estación pasando previamente por el
foam-maker, la espuma ingresa a los tanques de lavado y de
almacenamiento para formar un colchón de espuma que permitirá sofocar el
incendio desde su interior y los monitores enfriarán las paredes de los
tanques desde el exterior mediante chorros de agua a presión.
44
3.2.7.1. Espuma Fluoroproteínica
Espuma elaborada a partir de un concentrado de proteínas hidrolizadas,
modificadas con aditivos surfactantes fluorados. Este tipo de espuma
presenta cierta resistencia a la contaminación con hidrocarburos, por lo cual
resulta adecuada para la aplicación sub-superficie en tanques.
Figura 28. Monitores fijos para espuma
Fuente. (OCP, Estación de bombeo Amazonas 1)
3.2.8. Carretes de mangueras
Son dispositivos que contienen una manguera enrollada en un soporte o
carrete metálico rotatorio, que permiten la rápida aplicación de agua por
parte de un solo operador. Su utilidad fundamental es el control de fuegos
incipientes en áreas con presencia habitual de personal.
Una manguera de 15 ó 30 metros de largo y 37,5 mm (1,5 pulgadas) de
diámetro. La manguera debe ser del tipo no colapsable, de forma que
permita la salida del chorro de agua aún estando completamente enrollada.
45
El material de la manguera será neopreno y otro material aprobado, y la
presión mínima de diseño de 18 kg/cm2 (250lbs/pu12).
Figura 29. Carretes de mangueras
Fuente. (OCP, Estación de bombeo Amazonas 1)
46
CAPITULO IV
4. ANÁLISIS DEL AGUA UTILIZADA EN EL SISTEMA DE
AGUA CONTRA INCENDIOS DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO
AMAZONAS 1 DEL OCP.
Se realiza el análisis del agua (Amazonas inmisión industrial, doméstico), la
cual es utilizada en el sistema de agua contra incendios de la Estación de
bombeo Amazonas 1, con el propósito de determinar si el agua utilizada es
de carácter incrustante o corrosiva y así escoger el mejor método de control
contra lola corrosion.
Tabla 4. Análisis de muestras de agua Estación de bombeo Amazonas 1
ANALISIS DE MUESTRAS DE AGUAS
VALORES ACTUALES
Amazonas Inmisión
industrial, doméstico
ubicación coordenadas UTM E0286592; N0010554
fecha toma de la muestra 24/08/2013
cod. identif. Muestra laboratorio OE-12-03-33-A-2
PARAMETROS UNIDADES ACTUAL
Aceites y grasas mg/l <0,8
Alcalinidad mgCaCO3/l 42
Aluminio mg/l < 0,045
Nitrógeno amoniacal mg/l 0,34
Antimonio mg/l < 0,060
Arsénico ug/l 0,152
Bario mg/l < 0,020
Boro mg/l 0,3
Cadmio mg/l < 0,007
47
Cianuros mg/l <0,002
Cobalto mg/l < 0,009
Cobre mg/l < 0,030
Conductividad eléctrica m§/cm 0,07
Cromo total mg/l < 0,040
Dureza total mgCaCO3/l 11,2
Estaño mg/l < 0,150
Fenoles mg/l 0,017
Vanadio mg/l < 0,700
Fósforo Total mg/l 2,2
Zinc mg/l 0,012
DQO mg/l 26
TPH mg/l <1
Hierro total mg/l 2,074
Manganeso mg/l 0,191
Mercurio ug/l < 0,050
Níquel mg/l < 0,150
Nitratos mg/l 0,5
Nitritos mg/l 0,007
Nitrógeno total mg/l 0,85
Oxígeno disuelto mg/l 4,12
Plata mg/l < 0,002
Plomo mg/l < 0,090
potencial hidrogeno (pH) 6,81
Sólidos sedimentables ml/l 0,1
Sólidos suspendidos mg/l <25
Sólidos totales mg/l 32
Detergentes mg/l 0,016
Temperatura °C 26,0
Turbidez NTU 8
48
DBO5 mg/l <1
Índice de coliformes
fecales NMP/100 23
Índice de coliformes
totales NMP/100 7,9x10^3
Organoclorados µg/l _
Organofosforados µg/l _
Cloro libre residual mg/l _
Selenio mg/l _
Fluoruros mg/l _
HAP´S mg/l
naftaleno
mg/l
< 0,15
acenaphthyleno < 0,03
acenafteno < 0,15
fluoreno 3,87
fenantreno < 0,015
antraceno < 0,015
fluoranteno < 0,03
criseno < 0,015
benzo(A)antraceno < 0,015
benzo(B)fluoranteno < 0,03
benzo(K)fluoranteno < 0,015
benzo(A)pireno < 0,015
dibenzo(A)antraceno < 0,03
indeno(1,2,3)pirileno < 0,015
benzo(G,H,I)perileno < 0,03
Fuente: (OCP)
49
4.1. Suministro de Agua (Amazonas inmisión industrial, doméstico)
Este cuerpo de agua de origen natural atraviesa por el centro de la estación
de bombeo Amazonas 1 del OCP, la cual es almacenada en un tanque
mediante bombas captadoras de agua para ser utilizada en el sistema de
agua contra incendios en un posible accidente.
Figura 30. Fuente de agua que ingresa a la Estación de bombeo Amazonas 1
Fuente. Jonathan Ibarra
4.2. Índice de Langelier
El Índice de Langelier es un índice para cálcular el carácter incrustante o
agresivo del agua y tiene que ver con los diversos equilibrios en el agua del
anhídrido carbónico, bicarbonato-carbonatos, el pH, la temperatura, la
concentración de calcio y la salinidad total.
Es importante para poder controlar la incrustación o la corrosión en las redes
de distribución del agua y para las instalaciones interiores domésticas.
50
El Índice de Langelier se usa para determinar el equilibrio deil agua:
Si el índice es 0: el agua está perfectamente equilibrada.
Si el índice es negativo: indica que el agua es corrosiva.
Si el índice es positivo: indica que el agua es incrustante.
4.3. Cálculo del índice de Langelier
Ecuación 4.1- Cálculo del pH saturado
Cálculo de A
[ ]
Cálculo de B
[ ]
Cálculo de C
[ ]
51
Cálculo de D
Ecuación 4.2- Cálculo del índice de Langelier
(De acuerdo a lo explicado en la teoría, esta agua es de carácter corrosiva
por lo tanto se tiene que dar la respectiva protección).
4.4. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN
Como se había mencionado anteriormente la corrosión es el proceso de
degradación o pérdida de las características constructivas de los materiales.
Las consecuencias del proceso corrosivo pueden ser en su mayoría:
• Pérdida del producto.
• Aumento del riesgo de incendio y explosión.
• Aumento del riesgo de contaminación ambiental.
52
• Paros del servicio.
• Contaminación del producto.
• Elevados costes de reparación.
• Degradación de estructuras y de sistemas.
4.5. Características de la estructura a proteger
Se considera las características, tipo de material usado en la construcción de
la estructura, diámetro, espesor de pared, año de construcción, tipo de
costura, especificaciones del revestimiento protector, la edad del
recubrimiento y su calidad.
En el ámbito de protección catódica existe una gran diferencia entre
estructura desnuda y recubierta, en la primera los requerimientos de energía
para protegerla son elevados mientras que en la recubierta estos son
mínimos.
4.6. PROTECCIÓN CATÓDICA
Se define como una técnica de protección anticorrosiva o método preventivo
utilizado para evitar y reducir la corrosión externa metálica en una solución
electrolítica, consiste en transformar las áreas anódicas que producen la
corrosión en una zona catódica totalmente efectiva respecto al medio
circundante por medio de una intensidad suficiente de corriente continua de
bajo voltaje desde una fuente externa, la protección catódica es el modo más
eficaz de control de la corrosión y de hecho es el único capaz de lograr una
prevención completa. En forma general se ha notado que en las partes
anódicas donde se corroe, la corriente fluye de la estructura hacia el
electrolito que lo rodea (suelo o agua), por otra parte donde la electricidad va
del electrolito hacia la estructura el área de la misma se vuelve catódica y no
sufre destrucción.
53
De acuerdo a lo dicho es obvio que si se pudiera aplicar suficiente corriente
al metal expuesto este no se oxidará por que la superficie total seria
catódica, esto es exactamente lo que hace la protección catódica, el
movimiento continuo de electrones es forzado a fluir hacia toda la extensión
de la superficie oxidante a ser protegida, cuando ha sobrepasado la corriente
de descarga de corrosión de las zonas anódicas y exista en esos puntos una
corriente neta que se dirija hacia el plano, el perímetro entero será catódico y
la protección es completa.
4.7. FUNDAMENTO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA
La Protección catódica tiene fundamento la ley de ohm.
Ecuación 4.3- Ley de Ohm
Donde:
I: Corriente de corrosión (A) desde el ánodo al cátodo
E (a-c): Diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo (V)
R: Resistencia del sistema (Ω)
Si existe una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo, sobre una
superficie metálica teniendo una resistencia finita, se presenta la corrosión.
Dependiendo de la diferencia de potencial, la corrosión puede aumentar o
decrecer, razón por la cual es necesario forzar a que la diferencia de
potencial entre el ánodo y el cátodo sea casi nula.
54
Esto se logra mediante la protección catódica, ya que ésta suministra
energía a la estructura por intermedio de ánodos galvánicos o por corriente
impresa, y se conoce como polarización.
Para tener conocimiento del grado de polarización de una estructura es
necesario medir su potencial con respecto al del electrodo de referencia.
4.8. SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA
El propósito primordial de la protección catódica es proveer al metal de los
electrones que pierde debido al proceso de oxidación. El suministro de los
electrones se puede realizar por dos vías: por ánodos de sacrificio o por
corriente impresa.
4.8.1. Protección catódica por ánodos de sacrificio
Se fundamenta en el principio de la protección galvánica es decir que se
basa en la diferencia que existe en el potencial electroquímico de los
metales.
En esta protección se establece una fuerte celda de metales disímiles; la
parte anódica genera corriente que penetra la estructura por medio del suelo
(electrolito) bloqueando las corrientes de corrosión, finalmente retorna a su
origen (el ánodo) cerrando el circuito por medio del cable de conexión
eléctrica del ánodo.
La técnica se basa en conectar eléctricamente uno o varios ánodos cuyo
potencial sea mayor al del elemento a proteger, y por un simple efecto de
pila galvánica, se obtiene la protección de dicho elemento, al destruirse el
ánodo el cual se sacrifica intencionalmente.
La diferencia de potencial existente entre el metal anódico y la tubería a
proteger, es de bajo valor razón por la cual este sistema se usa para
pequeños requerimientos de corriente y pequeñas estructuras.
55
Figura 31. Esquema de instalación de protección catódica mediante ánodos de
sacrificio
Fuente. (Chavarría, 2007)
4.8.1.1. Consideraciones acerca de los ánodos
4.8.1.1.1. Capacidad de suministro de corriente.
Una importante consideración en el diseño de un sistema de protección
catódica mediante ánodos de sacrificio, es que la diferencia de potencial
entre los ánodos y la estructura sea tal, que tengan la capacidad de elevar el
potencial de la estructura a un nivel de protección adecuado. Otra
consideración de importancia es la vida probable del conjunto de ánodos o,
sea, el tiempo el cual suministrará una corriente deseada.
Los principales factores que determinan la corriente suministrada por los
ánodos de sacrificio son:
56
- La resistividad del suelo que rodea al ánodo.
- Tamaño y forma de los ánodos.
- Composición metalúrgica de los ánodos
- Cantidad y tipo de relleno auxiliar utilizado
- Distancia a la cual el ánodo es colocado de la estructura.
- Tamaño, condición y potencial estructura el suelo de la estructura a
proteger.
4.8.1.1.2. Características de un ánodo de sacrificio
El ánodo debe tener un potencial de disolución lo suficientemente negativo,
para polarizar la estructura que normalmente se protege a -0,85 V. Sin
embargo el potencial no debe de ser excesivamente negativo, ya que eso
motivaría un gasto superior, con un innecesario paso de corriente. El
potencial práctico de disolución puede estar comprendido entre -0,95 a -1,7
V (en base al electrodo de referencia cobre-sulfato de cobre) ésta corriente
es suficiente por unidad de peso de material consumido y por ende presenta
un buen comportamiento de polarización a través del tiempo y bajo costo.
4.8.1.1.3. Ánodos instalados con relleno auxiliar
Usualmente, se utiliza un material especial como material de relleno después
de que los ánodos se han introducido en la tierra. La composición
recomendada del relleno auxiliar es la siguiente:
75% sulfato de calcio.
20% arcilla bentonítica.
5% sulfato de sodio.
57
Para mejores resultados de relleno debe compactarse de forma tal que se
tenga contacto físico entre las partículas. A fin de simplificar la instalación y
reducir costos, hay disponibles en el mercado ánodos que ya vienen
empacados con su respectivo material de relleno.
El relleno auxiliar mejora la operación del sistema debido a que:
- Disminuye la resistencia ánodo – tierra
- Retiene humedad, la cual es necesaria para la debida operación del ánodo.
- Permite un mayor y más estable potencial de operación.
- Reduce los efectos debido a polarización.
- Permite una operación uniforme del ánodo, reduciendo el ataque selectivo
4.8.1.1.4. Ánodos instalados sin relleno auxiliar.
En algunos electrolitos, como agua o suelos con extremadamente bajas
resistividades (generalmente menor 500 ohm.cm) no requiere material de
relleno. En el diseño para estos ambientes la composición, tamaño y forma
del ánodo son los factores a considerar, generalmente se prefiere zinc por su
bajo costo.
En el caso de tuberías marinas por ejemplo, se pueden utilizar ánodos de
zinc con la forma de brazaletes, colocados directamente alrededor dela
tubería a proteger.
4.8.1.2. Tipos de ánodos
Considerando que el flujo de corriente se origina en la diferencia de potencial
existente entre el metal a proteger y el ánodo, éste último deberá ocupar una
posición más elevada en la tabla de potencias (serie electroquímica o serie
galvánica).
Los ánodos galvánicos que con mayor frecuencia se utilizan en la protección
catódica son: Magnesio, Zinc, Aluminio.
58
4.8.1.2.1. Ánodos de magnesio
El magnesio es un elemento muy reactivo, lo que implica una capacidad de
proporcionar un potencial elevado, a costa de consumirse con gran rapidez.
Por ello su principal aplicación esta dado para estructura metálicas inmersas
en aguas dulces o en suelos de resistividades de 2000-10000 Ω cm.
La principal aleación que se utilizan es magnesio con una composición de
6% de aluminio y 3 % de zinc. Esta aleación presenta un potencial de
protección de -1,55mV respecto al electrodo de referencia cobre- sulfato de
cobre.
Figura 32. Presentación de los ánodos de magnesio comercialmente
Fuente. (Corrpro Companies INC)
4.8.1.2.2. Ánodos de zinc
Los ánodos de zinc presentan un elevado potencial de disolución lo que
implica un alto rendimiento de corriente.
Estos ánodos son mayormente utilizados en tuberías metálicas inmersas en
agua de mar y en suelos cuando su resistividad eléctrica es menor a los
1000 Ω.cm.
59
Uno de los factores que más limita la utilización del zinc es la resistividad del
medio agresivo, se debe cuidar su utilización de estos ánodos en presencia
de aguas dulces a temperaturas por encima de 65 °C, ya que en estas
condiciones puede invertir su polaridad y tornarse catódico con relación al
acero.
Los ánodos fundidos de zinc de alta pureza proporcionan un excelente
control de protección y una larga vida de trabajo, superior a los 30 años.
Figura 33. Presentación de los ánodos de zinc comercialmente
Fuente. (Corrpro Companies INC)
4.8.1.2.3. Ánodos de aluminio
Por su posición en la serie electroquímica, el aluminio es el metal más
idóneo para la realización de la protección catódica, intermedio entre el zinc
y el magnesio, con una elevada capacidad de corriente.
Los ánodos están fabricados sobre la base de aleaciones de aluminio, indio
y otros elementos. Estos materiales son muy estables en potencial y
eficiencia, aún para electrolitos de conductividad y temperatura variable.
60
Para estructuras metálicas inmersas en agua de mar, se obtienen buenos
resultados y con nuevas aleaciones de este metal, incluso se ha superado
en comportamiento a los ánodos de zinc. Estos ánodos están caracterizados
por su peso ligero, alta capacidad eléctrica y gran estabilidad, utilizados en
todo el mundo con óptimos resultados.
No obstante las aplicaciones más frecuentes se sitúan en el campo naval, su
elevada capacidad de corriente hace que un solo ánodo de aluminio puede
ejercer la acción de tres ánodos de zinc de iguales características para una
misma duración del ánodo.
Figura 34. Presentación de los ánodos de aluminio comercialmente
Fuente. (Corrpro Companies INC)
4.8.1.3. Vida de los ánodos
Un factor importante que se debe tener en cuenta es la duración o vida de
los ánodos. La vida para cada valor de intensidad de corriente es una
función del peso del ánodo (leyes de Faraday) y no del número de ánodos
que se coloquen. Si se conoce la intensidad que es capaz de suministrar un
ánodo (I) y su peso (kg), teniendo en cuenta su capacidad de corriente
61
calculada teóricamente así como su rendimiento y su factor de utilización, se
puede calcular fácilmente su duración.
El factor de utilización puede ser del 85%, ya que cuando un ánodo se
consumió, este porcentaje debe sustituirse pues el material que queda es
insuficiente para mantener un porcentaje adecuado de la intensidad de
corriente que inicialmente era capaz de suministrar.
La vida del ánodo puede calcularse de la siguiente manera:
Ecuación 4.4- Cálculo del tiempo de vida del ánodo
V = C x P x R x F / I
Donde:
V: tiempo de vida (años)
C: capacidad de corriente (A x año/ kg) (tabla 5)
P: peso del ánodo (kg)
R: rendimiento (%) (tabla 5)
F: factor de utilización (adimensional)
I: intensidad de corriente (A)
Tabla 5. Valores electroquímicos para el cálculo de la vida de los ánodos
Fuente. (PEMEX, 2002)
62
En este tipo de instalación el material de los ánodos se consume
dependiendo de los siguientes factores: de la demanda de corriente
protección de la estructura a proteger, la resistividad del electrolito y del
material usado como ánodo, durante el proceso de descarga del mismo.
En la tabla 6 se muestran las aplicaciones específicas más utilizadas de
ánodos galvánicos o de sacrificio, de acuerdo a Gentil.
Tabla 6. Ánodos Galvánicos y su campo de aplicación
Ánodos Aplicaciones
Zinc Estructuras metálicas inmersas en agua de mar o enterradas en suelos con resistividad eléctrica de hasta 1000 Ω.cm.
Magnesio Estructuras metálicas inmersas en agua dulce o enterradas en suelos con resistividad eléctrica de hasta 3000 Ω.cm.
Aluminio Estructuras metálicas inmersas en agua de mar.
Fuente. (Gentil, 1982)
4.8.1.4. Ubicación e instalación de los ánodos.
La ubicación de los ánodos es más crítica en este tipo de sistemas de
protección que en los sistemas mediante voltaje impuesto. Los ánodos
deben ser instalados en suelos de bajas resistividades y de tal forma que
toda su longitud se encuentre, permanentemente en contacto con el suelo
húmedo; esto se debe a que la corriente suministrada por los ánodos es,
principalmente función de la resistividad del suelo. Por ello es necesario un
cuidadoso estudio de las propiedades del suelo que se encuentra en los
alrededores de la estructura a proteger a fin de seleccionar las ubicaciones.
63
En el caso de tuberías, un estudio de la resistividad eléctrica del suelo a lo
largo de la línea permite ubicar estas posiciones.
Los ánodos y su respectivo relleno auxiliar pueden ser instalados
verticalmente en agujeros (los cuales deben ser perforados tan profundos
como sea, económicamente, factible en busca de humedad y baja
resistividad) u horizontalmente en zanjas.
Figura 35. Ánodos instalados verticalmente en agujeros
Fuente. (Tesis Mario Padilla, Universidad San Carlos de Guatemala)
64
Figura 36. Ánodos instalados horizontalmente en zanjas
Fuente. (Tesis Mario Padilla, Universidad San Carlos de Guatemala)
4.8.2. Protección catódica por corriente impresa
En la protección catódica mediante voltaje impuesto, se utiliza un
rectificador, en donde un transformador reduce el voltaje de una corriente
alterna a un valor deseado, y elementos rectificadores la convierten en
corriente directa.
El rectificador se conecta entre un ánodo auxiliar o grupo de ánodos y la
estructura a proteger. Este sistema requiere de una fuente de corriente
directa y un electrodo auxiliar (ánodo) o grupo de ánodos inertes que
integran la cama anódica, situado a cierta distancia de la estructura a
proteger.
La terminal positiva de la fuente de corriente directa se conecta a la cama
anódica y la negativa a la estructura a proteger, de este modo la corriente
fluye del ánodo a través de la estructura.
65
Este tipo de sistema trae consigo el beneficio de que los materiales que se
utilizan como ánodos se consumen a velocidades menores, por lo que se
pueden descargar mayores cantidades de corriente y mantener una vida
más amplia, además de ser baratos. Los materiales más empleados como
ánodos auxiliares son el grafito, la chatarra de hierro, y el ferrosilicio, entre
otros.
Los sistemas de protección catódica por corriente impresa han trabajado con
los ánodos colocados externamente a la estructura, ya que se han utilizado
en tuberías subterráneas y estructuras de concreto marinas mediante un
rectificador como fuente de alimentación.
El lecho de ánodos, al igual que en los ánodos de sacrificio, permitirá la
inyección de la corriente de protección al medio conductor. Los ánodos
empleados han de suministrar corrientes elevadas y garantizar una larga
vida.
Figura 37. Esquema de la instalación de Protección Catódica mediante Corriente
Impresa
Fuente. (NACE, 2003)
66
4.8.2.1. FUENTES DE CORRIENTE
El sistema de corriente impresa requiere de una fuente de corriente continua,
no importa de dónde provenga, a condición de que se mantenga pese al
paso del tiempo.
Un sistema de corriente impresa debe de poder funcionar de forma
permanente al menos durante diez años.
4.8.2.1.1. Rectificadores
Los aparatos que permiten el paso de la corriente en un solo sentido se
conocen con el nombre de rectificadores. Estos aparatos se alimentan con
corriente alterna.
Si se trata de un rectificador monofásico, estará constituido por un
transformador monofásico T, alimentado en el primario a 110 o 220 V
(tensión de la red de distribución).
La tensión de salida puede ajustarse según las necesidades. Un puente
monofásico reductor P, compuesto por 4 diodos o grupos de diodos de
selenio o silicio.
Este puente reduce las dos alternancias de la corriente monofásica. El
selenio es más barato, pero también es más frágil que el silicio.
67
Figura 38. Esquema de un Transforrectificador Monofásico
Fuente. (Más allá de la herrumbre II, Ávila / Genescá)
4.8.2.1.2. Voltímetro
Permite controlar la tensión de salida y un amperímetro la intensidad total.
La tensión de salida puede ser regulada con ayuda de regletas o por medio
de un "variac", el cual permite una regulación continua desde el 0 al valor
máximo.
Cuando se necesitan intensidades altas de corriente es más económico
utilizar rectificadores alimentados con corriente trifásica de 380 V.
4.8.2.1.3. Dínamo con motor térmico
Permite la protección catódica en donde no existe posibilidad de suministrar
energía eléctrica, como en el caso de los desiertos o zonas selváticas.
El motor térmico puede estar alimentado, ya sea directamente a partir de la
conducción que se desea proteger, ya sea por un depósito que se llena
periódicamente.
68
4.8.2.2. Ánodos auxiliares
Todos los ánodos van consumiéndose a mayor o menor velocidad con el
paso de la corriente.
Así, por ejemplo, la chatarra de hierro se consume muy rápidamente y el
titanio platinado a un ritmo muy lento. A continuación se describen
brevemente cada uno de estos electrodos:
Chatarra de hierro
Por su economía es a veces utilizado como electrodo dispersor de corriente,
éste tipo de ánodo puede ser utilizado en terrenos de resistividad elevada y
es aconsejable se rodee de un relleno artificial constituido por carbón de
coque. El consumo medio de estos lechos de dispersión de corriente es de
9,1 kg/(A*año).
Ferrosilicio
Este ánodo es recomendable en terrenos de mediana y baja resistividad. Se
coloca en el suelo rodeado de un relleno de carbón de coque. A una
intensidad de corriente baja (1 A) su vida es prácticamente ilimitada, siendo
su capacidad máxima de salida de corriente de unos 12 a 15 A por ánodo.
Su consumo oscila a intensidades de corriente altas, entre 0,5 a 0,9
kg/(A*año).
Grafito
Puede utilizarse principalmente en terrenos de resistividad mediana y se
utiliza con relleno de grafito o carbón de coque. Es frágil, por lo que su
transporte y embalaje debe ser de cuidado, son más ligeros de peso que los
ferrosilicios. La salida máxima de corriente es de 3 a 4 A, y su desgaste
oscila entre 0,5 y 1,0kg/(A*año).
69
Titanio-Platinado
Este material está especialmente indicado para instalaciones de agua de
mar, aunque sea perfectamente utilizado en agua dulce o incluso en suelo.
Su característica más relevante es que a pequeños voltajes (12 V), se
pueden sacar intensidades de corriente elevada, siendo su desgaste
perceptible.
En agua de mar tiene, sin embargo, limitaciones en la corriente a aplicar, ya
que nunca puede pasar de 12 V, por lo que podría ocasionar el despegue de
la capa de óxido de titanio y, por lo tanto el deterioro acelerado del ánodo.
4.8.3. Resistividad del suelo
Cuando se diseña protección catódica o simplemente cuando se estudia la
influencia de la corrosión en un medio en el cual se instalará equipos o se
tenderá una línea, es necesario investigar las características del medio,
entre estas características, relacionada directamente con el fenómeno
corrosivo se encuentra la resistividad del medio.
La resistividad es la recíproca de la conductividad o capacidad del suelo
para conducir corriente eléctrica. En la práctica se ejecutan medidas de
resistencia de grandes masas de material y se calcula un valor promedio
para el mismo.
Las áreas de menor resistividad son las que tienden a crear zonas anódicas
en la estructura, pero así mismo son las zonas más aptas para instalación de
las camas de ánodos.
70
Tabla 7. Especificaciones de resistividades de acuerdo al medio que lo rodea.
Resistividad (ohm-cm) Características del medio
Fuente. (Miño, 2011)
4.8.3.1. Determinación de resistividad por el método de los cuatro
electrodos
En la práctica se requiere medir la resistividad de grandes extensiones y a
menudo, a una cierta profundidad.
Para ello se utiliza el método de Wenner, más conocido como método de los
4 electrodos. El circuito básico se presenta en la figura 39.
Figura 39. Medición de la resistividad del suelo por el método de Wenner o de los
cuatro electrodos. La distancia (b) o sea la profundidad a la que está enterrada el
electrodo (barra de cobre o acero) debe ser pequeña comparada con la distancia
(a) entre los electrodos.
Fuente. (Miño, 2011)
71
La medida que se obtiene es un valor promedio a una profundidad
aproximadamente igual que el espaciado entre los electrodos.
Es costumbre efectuar las mediciones de resistividad con un espaciado entre
electrodos previamente establecido. Así, con espaciados de 5 pies 2 1/2
pulgadas, 10 pies 5 pulgadas y 20 pies 10 pulgadas.
Se entierran cuatro varillas de cobre equiespaciadas, y se conectan las dos
externas (C1 y C2 en la Figura 39) a las terminales de la fuente de corriente,
y las dos internas (P1 y P2 de la misma Figura) a un medidor potencial
(voltímetro).
Nótese que se mide la resistencia entre las dos varillas internas o electrodos
de potencial; las dos varillas externas sirven para introducir corriente en el
suelo.
El valor obtenido corresponde a la resistividad promedio a una profundidad
aproximadamente igual al espaciado entre los electrodos. La presencia de
estructuras metálicas enterradas puede alterar los resultados de la medición.
La resistividad de un suelo se la mide con la siguiente ecuación:
Ecuación 4.5- Cálculo de la Resistividad
Donde:
RS: resistividad
π: 3.1416
d: profundidad a la que se desea conocer la resistencia
72
4.8.4. Mediciones de potenciales estructura/electrólito.
La potencia es la energía que utiliza un instrumento eléctrico. La potencia se
mide en watts. Los potenciales estructura electrólito significa el potencial
existente en la estructura metálica y el medio que lo envuelve.
Las mediciones desde el potencial se hace por medio de un voltímetro con
alta resistencia interna, y de tal manera que el terminal negativo esté ligado
a la estructura metálica y el terminal positivo a un terminal de referencia,
normalmente de cobre/sulfato de cobre para suelos, y plata/ cloruro de plata
para agua de mar, colocado en contacto con el medio.
Los valores de potenciales tubo/suelo, medidos con relación electrodo
Cu/CuSO4 varían desde -0,1V hasta -0,7V, dependiendo del revestimiento
externo del tubo. Valores positivos se dan en lecturas con la presencia de
corriente de interferencia, siendo común valores desde +50V hasta -50V.
Los potenciales positivos son extremadamente nocivos para estructuras
metálicas.
Los electrodos de referencia de cobre-sulfato de cobre (CSE) son los más
usados para medir potenciales de estructuras enterradas y estructuras
expuestas a aguas dulces. El electrodo está compuesto de una barra de
cobre, inmersa en una solución saturada de sulfato de cobre, dentro de un
cilindro no-conductor con un tapón poroso, como se muestra en la Figura 40.
73
Figura 40. Electrodo de referencia de Cu/CuSO4
Fuente. (NACE International, 2000)
4.8.5. Backfill o Activador
Los ánodos de corriente impresa llevan casi siempre un lecho de bentonita o
polvo de coque que permite retener el agua en función de ésta propiedad
deben ejercer tres funciones principales:
1. Reducir la resistencia de contacto ánodo-suelo.
2. Estabilizar el potencial del ánodo, evitar la polarización y asegurar una
fuente segura de corriente.
3. Mejorar el rendimiento, disminuyendo la corrosión espontánea y
consiguiendo un ataque del ánodo uniforme.
74
Numerosos productos químicos han sido utilizados en la composición del
"activador o backfill", como por ejemplo la arcilla ordinaria, la bentonita, el
sulfato de calcio, la cal, el hidróxido de sodio, el dicromato de sodio, el
cloruro de sodio, el sulfato de sodio, el de magnesio, polvo de coque, etc.
Miño en la tabla 9, muestra las características del activador.
Tabla 8. Características del Backfill
Fuente. (Miño, 2011)
4.8.6. COMPARACIÓN ENTRE LOS DOS SISTEMAS
A continuación se detalla las ventajas y desventajas de los sistemas de
protección catódica.
4.8.6.1. Ánodos de sacrificio
Ventajas
Funcionan independientemente de una fuente de energía eléctrica.
Su instalación es simple, y si después de una inspección no se
obtienen los niveles deseados de protección, pueden fácilmente
añadirse nuevos ánodos.
Nunca pueden estar incorrectamente unidos a la estructura.
75
No hay que ejercitar funciones de control del sistema sino sólo la
toma de potencial.
Difícilmente se dan problemas por sobreprotección.
Es fácil obtener distribuciones uniformes de potencial en una
estructura.
La interferencia con estructuras enterradas es prácticamente nula.
Mantenimiento simple.
Desventajas
Sólo se pueden emplear en medios de bajas resistividades hasta
5000 Ω.cm.
Son necesarias grandes cantidades de ánodos para proteger
grandes superficies.
En instalaciones enterradas, la sustitución al cabo de los años
supone un elevado coste de obra civil.
Sólo es aplicable en pequeñas longitudes de tuberías.
4.8.6.2. Corriente impresa
Ventajas
Tiene la capacidad de suministrar altas corrientes, para proteger
grandes superficies, incluso no recubiertas y en medios de altas
resistividades.
Requiere de menor número de ánodos.
Puede controlarse la protección del sistema, ajustando la corriente
de salida.
Con el uso de sistemas automáticos, se garantiza una correcta
protección y nunca sobreprotección, pudiéndose además enviar
controles del funcionamiento del sistema mediante comunicaciones
específicas (digitales, analógicas).
La centralización del lecho de ánodos facilita la instalación y los
trabajos complementarios.
76
Desventajas
La necesidad de una fuente de energía externa.
La posibilidad de sobreprotección, y los daños que ésta pueda
ocasionar, cuando el sistema está mal ajustado, o si se implementa
un sistema sin regulación automática.
La dificultad de obtener una distribución uniforme en elementos de
formas complejas.
El riesgo de que si la conexión (polo negativo) al elemento a
proteger se invierte, se provoque una corrosión acelerada.
El factor económico será, en la mayoría de ocasiones, el que
determine el tipo de instalación de protección catódica a emplear.
4.8.7. Recubrimientos
El poner una barrera entre un medio corrosivo y el material a ser protegido
es un método fundamental de control de la corrosión, pero hay que tener en
cuenta que estas barreras llamados recubrimientos no son perfectos, e
incluso aceleran la corrosión cuando presentan fallas llamados “holidays del
revestimiento”. Razón por la cual deben ser usados en combinación con otro
método de control de la corrosión que generalmente es la protección
catódica.
Los revestimientos pueden trabajar mediante tres mecanismos:
Barrera, en el cual aísla el medio agresivo de la estructura a proteger
Pigmentos inhibidores, que reaccionan con la humedad absorbida en
el recubrimiento y luego reaccionan con la superficie del acero para
pasivarla y disminuir sus características corrosivas.
Protección Catódica, los recubrimientos pueden contener metales
activos (usualmente el zinc) como pigmentos que en presencia de un
electrolito se establece la celda galvánica y el recubrimiento se
convierte en ánodo corroyéndose en lugar del metal.
77
4.8.8. Tipos de recubrimientos
Recubrimientos metálicos
Los recubrimientos se aplican mediante capas finas que separen el ambiente
corrosivo del metal, es decir que puedan servir como ánodos sacrificables
que puedan ser corroídos en lugar del metal subyacente.
Recubrimientos inorgánicos
En algunos casos es necesario hacer recubrimientos con material
inorgánico, los más usados son el vidrio y los cerámicos, estos
recubrimientos proporcionan acabados tersos y duraderos. Aunque si se
expone un pequeño lugar anódico se experimenta una corrosión rápida pero
fácil de localizar.
Recubrimientos orgánicos
El uso de pinturas, lacas, barnices y muchos materiales orgánicos
poliméricos han dado muy buen resultado como protección contra la
corrosión. Estos materiales proveen barreras finas tenaces y duraderas para
proteger el sustrato metálico de medios corrosivos.
4.9. CÁLCULOS DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA
4.9.1. Ánodo de hierro con alto contenido de silicio (hierro-silicio)
El hierro con alto contenido de silicio común consiste en una matriz muy
dura, con copos de grafito en los bordes de grano. El grafito debilita la
aleación. Agregando cromo, los grafitos libres se unen formando carburos,
fortaleciendo la aleación.
78
Las características de este tipo de ánodos son:
4.9.2. Cálculo del área metálica a proteger
El área a proteger depende del tipo de estructura y del porcentaje de
protección que se requiera, o el porcentaje de la estructura que está en
contacto con el electrolito.
Ecuación 4. 6- Área de tubería a proteger
Donde:
AB = Área de la tubería para proteger, m2
f = Porcentaje de área desnuda, 100%
π = 3.1416
D = Diámetro de la tubería a proteger, 0.2m
L = Longitud de la tubería, 1040m
ANODO DE FERROSILICIO
Peso 27kg
Longitud 1,5m
Diámetro 0,075m
Disipación 0,25024 kg/A-año
79
El porcentaje de protección es un criterio de diseño el que se adjudicó un
valor del 20 % (Marquéz, 2004) ya que la tubería debe ser previamente
pintada y revestida con una cinta aislante plástica, razón por lo que se
considera que el 80 % del material está protegido.
Si la estructura a proteger, cuenta con un revestimiento, sus necesidades de
corriente protectora disminuyen rápidamente conforme el revestimiento va
de malo a excelente. Se ha establecido esta eficiencia según el siguiente
cuadro.
Tabla 9. Calidad y eficiencia de los recubrimientos
Estructura
Cualidad del
revestimiento
Eficiencia
Inicial Final
Tubos Enterrados
Excelente 95% 90%
Bueno 90% 80%
Regular 80% 50%
Malo 50% 0%
Fuente. (Zambrano, 2010)
4.9.3. Cálculo de la corriente necesaria o requerida para el sistema
Para estimar la corriente necesaria para proteger determinada estructura
metálica, se ha determinado la siguiente ecuación.
80
Ecuación 4. 7- Cálculo de la intensidad de corriente
Donde:
I = Corriente requerida en amperes
Id = Densidad de corriente requerida 30 mA/m2
Se utilizó la densidad de corriente de 30 mA/m2 porque el terreno está entre
tierra húmeda y seca por encontrase en un sector rocoso. Ver tabla10.
Tabla 10. Densidad de corriente requerida
Tierra seca 10,76 – 21,52 mA/
Tierra con agua 21,52 – 53,82 mA/
Agua, sin corriente 10,76 – 53,82 mA/
Agua de mar con corriente 32,29 – 129,17 mA/
Agua de mar sin corriente 107,6 – 269,1 mA/
Fuente. Zambrano, 2010)
81
4.9.4. Cálculo de la masa anódica requerida (W)
Se puede calcular la masa o peso del material anódico indispensable para el
efecto. Este cálculo se realiza con la siguiente ecuación.
Ecuación 4.8- Cálculo de la masa anódica requerida
Donde:
W = Peso total de masa anódica requerida en kg.
Dr = Disipación del ánodo en 0.25 kg/A-año (FERROSILICIO)
Dl = Vida de diseño del sistema, 25 años
La disipación del ánodo es de 0,25 kg/A-año para los ánodos de hierro y
silicio. Ver tabla 11.
82
Tabla 11. Características de los diferentes tipos de ánodos.
Ti Metal
Mixed Oxides
Pt/Ti
Grafito
Pb/Ag
Fe/Si
Magnetita
Densidad gr/ 4-6 4-6 1-3 12 8 3-5
Densidad de
corriente
Normal mA/
80-100
30-80
0,1-0,4
6-18
1-2
8-10
mg/A-año 4-5 6 250.10 68. 25. 1,5.
Fuente. (Zambrano, 2010)
4.9.5. Cálculo del número de ánodos requeridos
El número de ánodos requeridos se lo determina aplicando la siguiente
ecuación.
Ecuación 4.9- Cálculo del número de ánodos requeridos
Donde:
N = Número de ánodos requeridos
W = Peso total de la masa anódica requerida
WA = Peso de cada ánodo, 27 Kg
83
Ánodos (5 ánodos)
Ecuación 4.10- Cálculo de la resistencia de un ánodo con relleno
Donde:
Rv = Resistencia de un ánodo vertical a tierra en Ω
= Resistencia del suelo o del material de relleno en Ω (25 ohm-cm Backfill
sin compactar)
L = Longitud del ánodo: 1,5 m
d = Diámetro del ánodo: 0,075 m
84
Ecuación 4.11- Cálculo del voltaje de salida del Rectificador
Donde:
V = Voltaje de Salida del Rectificador, voltios
Rt = Resistencia Total del circuito, ohm
I = Intensidad de corriente requerida, 89.65 amperios
Ecuación 4.12- Sumatoria de resistencias
Donde:
Rc: Resistencia de los cables del circuito 0,25ohm (FABRICANTE)
Re: Resistencia del contacto a tierra de la estructura a proteger 0,26 ohm
(CAMPO)
Rg: Resistencia cama anódica, Rv 0.13 ohm (Calculada en el punto
anterior)
85
Ecuación 4.13- Cálculo de la capacidad del transformador
Donde:
C = Capacidad del transformador, en KVA
E = Eficiencia del rectificador (80%)
I = Intensidad de corriente (C.D.) del rectificador 19,60 amperios
V = Voltaje (C.D.) del rectificador 12,54 voltios
F = Factor de potencia del transformador (0,80)
86
RESULTADOS
Tabla 12. Resultados del Diseño
Área de tubería a proteger
653,45
Cálculo de la corriente requerida para el sistema
19,60 A
Cálculo de la masa anódica requerida
122,5 kg
Cálculo del número de ánodos requeridos
5 ánodos
Resistencia de un ánodo con relleno
0,13 ohm
Resistencia total del circuito
0,64 ohm
Voltaje de salida del Rectificador
12,54 voltios
Capacidad del transformador
0,38 KvA
Elaborado por: Jonathan Ibarra
87
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES
En todos los casos la corrosión de las tuberías es consecuencia de un
proceso electroquímico, que se inicia en la superficie de las mismas,
debido a las continuas variaciones en la composición del electrolito.
La protección catódica no elimina la corrosión, sino únicamente
remueve la corriente de la estructura y la concentra en una
localización conocida donde se descarga la corriente con el
consecuente consumo del material utilizado. Es decir, existe solo una
transferencia de la corrosión hacia un material que puede ser
fácilmente renovable y de un costo muy inferior de aquel que tiene la
estructura protegida.
Se verificó la tendencia corrosiva del agua utilizada en el sistema de
agua contra incendios cuyo valor obtenido mediante el cálculo del
índice de Langelier fue de -1,43, por lo que es necesario dar una
adecuada protección mediante la implementación de protección
catódica, para el control de la corrosión.
Según cálculos anteriores para un peso requerido de 122,5 kg se
necesita 5 ánodos de ferrosilicio, para tener una protección adecuada
de la tubería contra la corrosión.
Para un área de de tubería con una densidad de corriente
de 30 mA/m2 se requiere de una intensidad de corriente de 19,6
amperios según los cálculos realizados.
88
El oxígeno disuelto es una sustancia altamente corrosiva en
concentraciones mayores a 1ppm en volumen, provocan velocidades
de corrosion hasta de 25 mpy(milésimas de pulgadas de metal por
año), por lo que es necesario dar una adecuada protección a la
tubería ya que el agua utilizada tiene un valor de 4,12 ppm, siendo de
carácter corrosivo.
Un equipo metálico correctamente protegido contra la corrosión puede
cumplir una vida útil de hasta 25 años, y sin una protección adecuada
ésta vida útil puede reducirse en 6 meses.
89
5.2. RECOMENDACIONES
Dar una adecuada protección al tanque de almacenamiento de agua
utilizada para el sistema de agua contra incendios, ya que esta agua
según los cálculos del Índice de Langelier realizados anteriormente es
de carácter corrosivo.
El diseño del sistema de protección debe estar en función de la vida
útil de la estructura. Todos los sistemas de tubería de acero deben
contar con un sistema de protección catódica definitivo, en un plazo
no mayor a un año posterior a la terminación de su construcción. Es
recomendable instalar un sistema de protección catódica, en forma
simultánea a la construcción del sistema de tubería.
Evitar el uso de metales diferentes siempre que esto sea posible. Si
esto no es práctico, tratar de usar metales que estén lo más cercano
posible entre sí en la serie galvánica.
Se debería instalar un sistema de monitoreo constante para
determinar el avance corrosivo de la tubería, personalmente creo que
el corrosómetro es el más versátil y de fácil operación para ésta labor.
90
GLOSARIO DE TÉRMINOS
Ánodo: Representa la parte de la superficie metálica que resulta corroída, ó
el área donde el metal se “disuelve”.
Cátodo: Representa la parte de la superficie metálica que no se disuelve.
También, al igual que en el ánodo, allí se lleva acabo otra reacción
electroquímica necesaria para que el proceso de corrosión prosiga. Los
electrones producidos en el ánodo, se trasladan a través del metal hacía el
cátodo donde son consumidos por reacción con un agente oxidante presente
en el agua.
Ánodo galvánico o de sacrificio. Es un metal con potencial normal de
oxidación mayor que el de la estructura metálica por proteger, de tal forma,
que al emitir corriente de protección se consume.
Cama Anódica. En la protección catódica mediante voltaje impuesto, es el
conjunto de ánodos conectados a un mismo rectificador.
Aleación. Es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, con
algún o algunos elementos no metálicos. Se puede observar que las
aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado elemental
(estado de oxidación nulo).
Mpy: es la abreviatura en inglés de milipulgadas por año, que es la unidad
más frecuente utilizada para expresar la velocidad de corrosión.
Corriente alterna: (abreviada CA en español y AC en inglés, de alternating
current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían
cíclicamente.
91
Corriente continua: (CC en español, en inglés, DC, de Direct Current) se
refiere al flujo continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre dos
puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el tiempo.
Corriente impuesta. Una corriente eléctrica suministrada por un dispositivo
que emplea una fuente de poder que es externa al sistema electródico. (Un
ejemplo es la corriente directa para protección catódica.)
Electrolito. Medio conductor a través del cual los iones se mueven
constituyendo una corriente en una celda electroquímica.
Electrodo. Es un conductor eléctrico a través del cual puede entrar o salir
una corriente eléctrica en un medio, ya sea una disolución electrolítica, un
sólido, un gas o el vacío.
NACE: Asociación Nacional de Ingenieros en Corrosión (National
Association Corrosion Engineers).
.
92
BIBLIOGRAFIA
PEABODY A.W., (2001), Peabody´s Control of Pipeline Corrosion (Second
Edition) Editorial NACE International.
Roberge P., (2000), Handbook of Corrosion Engineering. Washington,
Editorial Mc Graw- Hill.
Ávila J., (1995), Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión,
México, Fondo de Cultura económica.
Baker P., (2007), Control de corrosión en operaciones de producción,
Ecuador, Institucional.
Geyer W., (2001), Handbook of Storage Tank Systems Codes, Regulations
and Designs, Nueva York, Editorial Marcel Dekker, Inc.
Goldin J., (2002), Seminario Inspector de Oleoductos. Ministerio de Energía
y Minas de Guatemala, Guatemala, Universidad de San Carlos.
BAECKMAN W.Von y Sohwenk., (1997), Handbook of Cathodic Corrosion
Protection. Theory and practice of electrochemical protection processes
(Third Edition) Editorial Gulf Professional Publishing.
RAMOS F. (2010). Corrosion en Operaciones de Producción de Petróleo.
UTE.
Miño E., (2011), Diseño del Sistema de Protección Catódica por corriente
impresa en Líneas de Pipetrack en la Refinería de La Libertad (RLL) contra
la Corrosión, Quito, Institucional.
93
NACE, (2002), External Cathodic Protection of On-Grade Metallic Storage
Tank Bottoms, Huston-Texas, Institucional.
PEMEX, (2001), Protección catódica en tanques de almacenamiento.
México, Institucional.
94
ANEXOS
Anexo 1. Construcción de una instalación de protección catódica por corriente
impresa
Fuente. Handbook of Cathodic Corrosion Protection. Theory and practice of
electrochemical protection processes (Third Edition) W.Von Baeckmann, W.
Schwenk and W. Prinz.
95
Anexo 2. Recopilación de muestras para el análisis del agua
Fuente. (OCP)
Anexo 3. Factores indicativos de contaminación del agua.
Fuente. (OCP)
Parámetros analizados
Unidades
Factor de contaminación: valor presente / valor de fondo
Grado de perturbación
Resultado de perturbación
fenoles mg/l 0,017/0,001 = 17 3 muy severa
hierro total mg/l 2,074/0,3 = 6,91 2 severa
manganeso mg/l 0,191/0,1 =1,91 1 evidente
turbidez NTU 8/5 = 1,6 1 evidente
coliformes totales
NMP/100 7900 2 severa
HAP’s FLUORENO
mg/l 3,87/0,0003=
12900 3 muy severa
oxígeno disuelto mg/l 4,12 2 severa
