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Influencias eléctricas sobre tuberías de acero provistas de
revestimiento de gran calidad
José Mª Vera Barceló (jmvera@guldager.es)
Director Técnico Guldager Electrólisis
Introducción
Una tubería de acero enterrada provista de un revestimiento de elevada rigidez dieléctrica puede estar sometida a graves riesgos mecánicos y/o de corrosión si discurre por las proximidades de líneas electrificadas de ferrocarril o de líneas eléctricas de alta tensión.
En el presente documento se analizan los diversos tipos de influencias, los mecanismos de evaluación de las mismas y el diseño de los sistemas posibles para su mitigación.
Normativa aplicable
Para el estudio y evaluación de estas influencias eléctricas sobre las tuberías, es aplicable la siguiente normativa:
UNE-EN-12954 (2002).- Protección catódica de estructuras metálicas enterradas o sumergidas. Principios generales y aplicación para tuberías.
UNE-EN-13509 (2003).- Técnicas de medida en protección catódica.
PNE EN 15280 (2013).- Evaluación del riesgo de corrosión de las tuberías enterradas ocasionado por corrientes alternas.
UNE-EN-50162 (2005).- Protección contra la corrosión de corrientes vagabundas de los sistemas de corriente continua.
EN 50443 (2011).- Effects of electromagnetic interference on pipelines caused by high voltage a.c. electric traction systems and/or high voltage a.c. power supply systems
UNE EN 50122-2.- Aplicaciones ferroviarias - Instalaciones fijas. Parte 2: Medidas de protección contra los efectos de las corrientes vagabundas produ cidas por los sistemas de tracción de corriente continua.
Tipos de influencias eléctricas
Las influencias eléctricas sobre una tubería enterrada pueden ser de Corriente Continua o de Corriente Alterna
Influencias de Corriente Continua
Las fuentes que generan influencias de Corriente Continua acostumbran a ser sistemas de tracción, como el ferrocarril convencional, tranvías, etc. También pueden generar este tipo de influencias, sistemas de protección catódica ajenos a la tubería, circuitos de grupos de soldadura, etc.
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Influencias de Corriente Alterna
Las principales causantes de este tipo de influencias son las líneas eléctricas aéreas de alta tensión y las líneas férreas alimentadas a tensión alterna como el AVE.
Influencias por corriente continua (Corrientes vagabundas)
Las corrientes de corriente continua que dan lugar a influencias sobre la tubería se denominan “Corrientes vagabundas”. Estas influencias dan lugar a riesgos de CORROSION en la tubería.
Se puede definir una “corriente vagabunda” aquella que perteneciendo a un determinado circuito de corriente continua se deriva a otro circuito ajeno circulando a través suyo hasta que en algún punto lo abandona para cerrar el circuito eléctrico propio.
En el caso de una tubería enterrada, una corriente va gabunda entraría a través del terreno, circularía a través de ella, saliendo de nuevo al terreno para cerrar su circuito de origen.
En la zona de la tubería donde sale la corriente al terreno, tendrá lugar un proceso de CORROSIÓN que será tanto más grave cuanto mayor sea la corriente y/o menor la superficie de metal por la que sale (elevada densidad de corriente).
La zona de entrada de corriente será la zona de influencia catódica y la zona de salida la sometida a una influencia anódica.
Tipos de corriente s vagabundas por corriente contínua
- Por corrientes fluctuantes. El caso más característico de corriente vagabunda por corriente fluctuante es el del ferrocarril, tranvía, etc.
En presencia de líneas de ferrocarril estas influencias sobre la tubería pueden ser elevadas en tramos de paralelismo prolongado y/o puntos de proximidad.
La corriente que alimenta el tren tiene su origen en el polo positivo de una subestación y retorna al negativo de la misma, a través de la vía. No existiendo un aislamiento perfecto de las vías respecto del terreno, existe una parte de esa corriente de retorno que deriva a tierra pudiendo canalizarse por la tubería cercana, la cual le ofrece una baja resistencia para su circulación.
Corrientes vagabundas debidas al ferrocarril
En algún punto de la tubería coincidiendo con algún defecto del revestimiento próximo a la vía o a la subestación eléctrica, la corriente saldrá al terreno para cerrar el circuito del ferrocarril de origen; en ese punto tendrán lugar las reacciones de oxid ación del metal y por lo tanto un proceso de CORROSION.
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Este tipo de influencias se detectará por el incremento del potencial electronegativo de la tubería en la zona de entrada de la corriente (zona catódica) que puede presentar varios kilómetros de longitud. Esta variación del potencial será oscilante dada la diferente carga de consumo del tren a lo largo de su recorrido, especialmente en el arranque y paro en estaciones cercanas.
La zona de influencia anódica o de salida de la corriente se detectará por la obtención de potenciales poco electronegativos o incluso de signo electropositivo.
- Por corriente constante no fluctuante. Las fuentes más comunes de influencias de corriente continua
no fluctuantes son equipos de corriente continua ajenos como pueden s er rectificadores de sistemas de
protección catódica de otras tuberías cercanas.
Es muy frecuente que existan aproximaciones y cruces entre tuberías metálicas enterradas, provistas o no de sistemas de protección catódica.
Los sistemas de protección catódic a disponen de un transforrectificador que conectado a un lecho anódico enterrado dispersará la corriente continua a través del terreno para conseguir su distribución a lo largo de toda la tubería a la que está conectado.
Si en las cercanías de ese campo eléctrico en el terreno existe una tubería metálica ajena. existe el riesgo de que quede sometida a influencias por corrientes vagabundas con el consiguiente proceso corrosivo.
El mecanismo de corrosión que tendrá lugar es idéntico al descrito más arriba, con una zona de influencia catódica en la entrada de corriente y una de influencia anódica en la salida.
En este tipo de influencias, la zona de la tubería de salida de la corriente al terreno acostumbra a coincidir con el cruce entre tuberías ya que es el de máxima proximidad y el de menor resistencia para el trasiego de la corriente de una tubería a la otra .
Evaluación del riesgo de corrosión en influencias de corriente continua.
Para la evaluación de de los niveles admisibles de influencias de corrientes vagabundas de continua, se aplicarán los criterios que se indican en la norma UNE EN – 50162.
La norma distingue dos situaciones: que la tubería afectada no disponga de un sistema de protección catódica o que sí disponga de él.
Para tubería sin protección catódica.
En el caso del acero enterrado, el nivel máximo de influencia anódica (variación máxima del potencial positivo) está ligado a la resistividad del terreno (?). Los valores máximos de variación del potencial serán:
Para: ? > 200 O x m ?V = 300 mV 15 < ? < 200 O x m ?V = 1,5 x ? ? < 15 O x m ?V = 20 mV
El potencial sometido a influencia catódica será admisible si no supera el valor del potencial límite crítico del metal en cuestión, libre de caídas IxR.
Para tuberías con protección catódica
Las interferencias anódicas serán inaceptables si el potencial resultante no alcanza el potencial de protección del acero, libre de caídas IxR indicado en la norma (-0,85V).
En el caso de interferencias catódicas si el potencial electronegativo se incrementa en un valor superior a los 500 mV se recomienda localizar posibles puntos de salida de corriente que puedan dar lugar a riesgos de corrosión.
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Medición de las influencias
Para obtener unos valores fiables de los potenciales medidos sobre una tubería sometida a influencias de corriente continua, es preciso que se utilicen los siguientes elementos:
Voltímetros.- se utilizarán voltímetros registradores del tipo data Logger con capacidad de almacenamiento
de datos que se instalarán durante períodos prolongados de tiempo para poder obtener la evolución de dichos potenciales mientras dure la interferencia.
En el caso de la medición de interferencias debidas al ferrocarril las mediciones se efectuarán como mínimo durante 24 horas. Habitualmente pasado este período, la circulación de trenes se repite.
Para conocer lo mejor posible la circulación de la corriente vagabunda que afecta a la tubería y poder tomar las medidas correctivas oportunas, se instalarán varios voltímetros registradores distribuidos a lo largo de las zonas influenciadas, tanto catódica como anódicamente
Electrodo de referencia.- los electrodos de referencia utilizados irán provistos de una probeta de acero, con
el fin de obtener el potencial exento de caídas IxR, las cuales afectan a la exactitud de la medida, particularmente en zonas de interferencias.
En el caso de interferencias no fluctuantes debidas a equipos ajenos de corriente continua, deberá actuarse sobre dichos equipos para corroborar el origen de las influencias y actuar en consecuencia.
En este caso, para medir el riesgo de las influencias anódicas en el cruce de las tuberías, se instalará entre ambas un punto de control, a base de un electrodo de referencia provisto de probeta, una conexión de cable a cada tubería y una caja de conexionado.
Esta instalación permitirá medir las influencias mutuas, en el caso de que ambas tuberías estén provistas de protección catódica.
Sistemas de Mitigación de influencias de corriente continua
Para minimizar o eliminar las influencias por corrientes vagabundas en una tubería, se puede actuar sobre la fuente que provoca las influencias o bien sobre la propia tubería.
La actuación sobre la fuente o sobre la tubería puede ser preventiva o bien una vez ya instalada y detectadas y localizadas las influencias.
Actuaciones preventivas
Sobre la fuente de influencias:
En el caso del ferrocarril o tranvía, se deberían diseñar para reducir o eliminar las corrientes vagabundas que derivan a tierra.
En la norma UNE EN 50122-2, se recogen distintas actuaciones para minimizar las influencias, como son: máximo aislamiento de las vías del terreno, muy buena continuidad eléctrica del circuito de retorno, ubicación y tamaños de las subestaciones, etc.
Para el caso de interferencias no fluctuantes debidas a otros equipos de protección catódica, será preciso actuar en el diseño de la implantación de la tubería con el fin de ubicar los lechos anódicos lejos de tuberías ajenas.
En la tubería, deberán tomarse ciertas medidas como son:
Trazado lo más alejado posible de la vía, evitando tramos de paralelismo.
Utilización de revestimientos de elevada rigidez dieléctrica para dificultar la entrada de corriente a la tubería,
Instalación de juntas aislantes en los tramos de riesgo de influencias, con el fin de disminuir la resistencia longitudinal de la tubería y dificultar la circulación de la corriente a través suyo.
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Actuaciones correctivas
Influencias fluctuantes, una vez localizada la zona de la tubería con influencia anódica con riego de
corrosión, pueden llevarse a cabo distintas actuaciones todas encaminadas a evitar que la corriente c aptada por la tubería salga directamente a tierra dando lugar a las reacciones de oxidación que provocaran la corrosión.
En el caso de influencias debidas al ferrocarril se diseñará un “camino” alternativo o drenaje de la corriente, para que la corriente salga al terreno a través de algún elemento y no de la tubería.
Existen tres tipos de drenaje:
Drenaje natural.- se conecta a la tubería un sistema de puesta a tierra, de un valor de resistencia a tierra inferior a la resistencia que le ofrece el terreno a la salida directa de la corriente desde la tubería.
Habitualmente esta puesta a tierra está constituida por ánodos de magnesio.
El principal inconveniente que presenta este sistema es la variación de la resistencia a tierra del drenaje, en función de la humedad del terreno. Para altos valores de resistencia a tierra la corriente seguirá saliendo por la tubería.
Drenaje unidireccional.- consiste en la unión mediante un cable, de la tubería con el negativo de la subestación o bien con algún punto de la vía q ue tenga carácter receptor mientras dure la influencia. Para evitar que circule corriente desde la subestación o vía al terreno, se intercalará un diodo de gran potencia y elevada tensión inversa.
Es condición indispensable que la distancia tubería – vía sea corta y que la sección del cable de unión sea de una sección tal que no incorpore una resistencia excesiva en el circuito.
Drenaje forzado.- en este caso se instala un equipo de protección catódica de funcionamiento automático que drene la corriente a tierra a través del lecho anódico en los momentos en que aparece la influencia anódica.
Este método es el más eficiente pero presenta la importante desventaja de que precisa de alimentación eléctrica en baja tensión para la alimentación eléctrica al transforrectificador.
Influencias no fluctuantes, En el caso de que en el punto de control instalado en el cruce de tuberías, se
detecten influencias anódicas no admisibles, se derivará la corriente anódica a través de una resistencia variable conectada a ambas tuberías. Esta unión debe suponer un camino alternativo de la corriente. El valor de la resistencia variable se regulará de forma que permita el paso de corriente, de la tubería influenciada a la otra tubería, evitando su salida al terreno.
La garantía de la eliminación de la influencia anódica se obtendrá a partir del valor de potencial en ese punto, libre de IxR.
Influencias por corriente alterna
Las influencias por corriente alterna en una conducción de acero pueden aparecer en presencia de líneas eléctricas aéreas de alta y media tensión. También en las proximidades del AVE debido a su alimentación eléctrica con tensión alterna. Las influencias de alterna son básicamente de dos tipos y dependen de la situación tubería – línea:
Influencias de tensión por Conducción, aproximación a apoyos de la línea Influencias tensión por Inducción, paralelismo a la línea eléctrica.
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Influencias de tensión por conducción
Este tipo de influencias puede dar lugar a DAÑOS MECÁNICOS en el revestimiento de la tubería o en la propia tubería, en el caso de tensiones muy elevadas.
Las influencias por conducción pueden aparecer cuando la tubería discurre próxima a los apoyos de la línea eléctrica. Los apoyos, metálicos o de hormigón armado, deberán disponer de puesta a tierra.
Si la línea eléctrica sufre algún cortocircuito o bien alguno de los apoyos es objeto de una descarga atmosférica, tendrá lugar una descarga a tierra de la corriente de defecto a través de la puesta a tierra del apoyo.
Esta descarga a través del terreno dará lugar a la aparición de un gradiente que si su valor es superior al máximo admisible por el revestimiento de la tubería llegará a afectarlo mecánicamente. Si el valor de la tensión junto a la tubería fuese muy elevado podría a afectar incluso a su integridad.
Influencias por conducción
Factores influyentes
- La tensión por conducción dependerá de los siguientes parámetros: - Distancia entre tubería y apoyo de la línea (a su p.a.t.)
- Tensión de la línea
- Resistencia a tierra del apoyo - Calidad del revestimiento
- Resistividad del terreno entre apoyo y tubería
Evaluación del riesgo de influencias de tensión por Conducción.
De acuerdo con la normativa y diferentes especificaciones particulares, el máximo valor de tensión que puede soportar un revestimie nto de PE de 3 mm de espesor en una tubería ya instalada, puede oscilar entre 3 y 10 KV.
Medición de la influencia
Dado que esta tensión aparece en el momento de una descarga a través de la puesta a tierra del apoyo de la línea no existe ningún procedimiento de medición “in situ” para su valoración.
La valoración de la tensión por Conducción se llevará a cabo de forma teórica mediante fórmulas matemáticas a partir de los parámetros de la línea eléctrica, de la tubería y del terreno, mencionados más arriba.
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En la implantación de una nueva tubería se calculará la tensión por Conducción teórica y/o la distancia mínima entre apoyo y tubería para que dicho valor no supere el valor admisible.
Mitigación de influencias de tensión por Conducción
Para reducir o eliminar las influencias peligrosas sobre la tubería puede actuarse de las siguientes maneras: - Incrementar el espesor del revestimiento de la tubería en la zona de influencia.
- Respetar la distancia mínima admisible, obtenida en el cálculo teórico.
- Intercalar elementos de apantallamiento entre apoyo y tubería, a base de picas de puesta a tierra o cables desprovistos de recubrimiento, conectados a la tubería mediante descargadores de sobretensión del tipo vía de chispas, con una tensión de tarado adecuada.
Influencias de tensión por inducción
Los efectos de este tipo de influencia sobre la tubería pueden suponer PROBLEMAS DE SEGURIDAD a las personas por las elevadas tensiones inducidas en la tubería y/o CORROSIÓN en determinadas circunstancias.
Este tipo de influencias puede aparecer cuando existen prolongados tramos de paralelismo de la línea eléctrica con la tubería o bien en el caso de concentración de torres de alta tensión próxima a la tubería. La coexistencia de líneas eléctricas y tuberías cada vez es más frecuente por la existencia de corredores en los que se intenta concentrar los diferentes servicios.
La tensión inducida sobre la tubería aparece debido al campo magnético resultante como consecuencia de la asimetría geométrica de cada uno de los tres conductores de la línea respecto a un punto de la tubería. El gran poder de aislamiento de los revestimientos utilizados en las tuberías, con escasos defectos y por lo tanto muy poca superficie de metal en contacto con el suelo, dificultará la descarga de esa tensión a tierra. Esta tensión sobre la tubería puede superar el valor máximo admisible de seguridad y ser peligrosa para aquellas personas que operan sobre la tubería. Para determinados valores de tensión asociados a densidades de corriente alterna, existen además, riesgos de corrosión localizados en la tubería. Estos problemas de corrosión se localizarán en defectos de pequeñas dimensiones del revestimiento.
Factores influyentes
La tensión inducida será directamente proporcional a los siguientes parámetros: - Distancia de la tubería respecto de la línea
- Longitud del tramo de paralelismo.
- Corriente que circula por la línea eléctrica de forma permanente. - Corriente de cortocircuito
- Resistividad del terreno.
- Calidad y espesor del revestimiento.
Evaluación del riesgo de influencias de tensión por inducción
Respecto al riesgo de tensiones peligrosas para las personas, la normativa fija como máximo valor admisible de tensión, 50V en el caso de ambiente seco o de 24V en el caso de ambiente húmedo. Respecto al riesgo de corrosión, la norma PNE-EN 15280 propone un valor máximo de 15V asociado a un máximo valor de densidad de corriente de 30A/m2. Existen otros parámetros relacionados con la regulación del sistema de protección catódica que pueden modificar ligeramente estos niveles.
Medición de la influencia
Para la medición de los distintos parámetros eléctricos que intervienen para valorar el nivel de influencias de alterna sobre la tubería, se actuará de la siguiente manera:
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Tensión de alterna.- para obtener el nivel de tensión de alterna sobre la tubería se medirá el potencial de la misma respecto a un electrodo de referencia de Cu/SO4Cu, utilizando un téster de alta impedancia interna,
en posición de tensión alterna.
Densidad de corriente.- se utilizarán probetas de acero de una superficie de 1 cm2. Se medirá la corriente alterna de entrada a la probeta mediante un shunt adecuado.
Mitigación de influencias de tensión por inducción
En el caso de que los parámetros eléctricos obtenidos en campo superen los niveles admisibles deberá diseñarse un sistema de Mitigación para disminuirlos a los niveles aceptables.
Los sistemas de Mitigación estarán orientados a rebajar la tensión sobre la tubería, lo cual pasará por diseñar sistemas de puesta a tierra.
Los sistemas de puesta a tierra estarán constituidos a base de conjuntos de picas de cobre o zinc o cables desnudos de cobre o acero galvanizado conectados a la tubería mediante discriminadores de corriente; dispositivos éstos que permiten el paso a través suyo de la corriente alterna pero no la de continua con lo que no afecta a la eficacia de la protección catódica.
Mitigación de influencias por inducción
Los sistemas de puesta a tierra deberán tener las características adecuadas y estar ubicadas correctamente, para conseguir la disminución de tensión necesaria.
Estudios de influencias eléctricas
Dada la gravedad que pueden comportar las influencias eléctricas sobre la tubería, es indispensable llevar a cabo estudios previos del riesgo de dichas influencias ante s de proceder a la implantación de la misma.
Estudio de Influencias de Corriente Continua
En el caso de influencias debidas a sistemas de tracción (ferrocarril, tranvía, etc.) deberán llevarse a cabo mediciones de los gradientes de tensión existentes en el suelo en la zona entre la vía del tren y la tubería y si es posible del potencial de la vía, con el fin de detectar el carácter emisor o receptor de la misma. Estas mediciones se realizarán utilizando voltímetros tipo data Logger durante un período mínimo de 24 horas. Se deberá asimismo recabar información acerca de la ubicación y características de las subestaciones más cercana.
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Si las influencias pueden ser debidas a otras fuentes de corriente continua como sistemas de protección catódica existentes de otros servicios, deberá tenerse en cuenta la ubicación de los lechos anódicos y disponer de las características de dichos equipos.
Estos Estudios determinarán la necesidad o no de la instalación de algún sistema de mitigación a modo preventivo o bien recomendar tipo, número y ubicación de elementos de control en el diseño del sistema de protección catódica con el objetivo de obtener la información necesaria.
Estudio de influencias de corriente alterna
En el caso de influencias por corriente alterna debemos distinguir dos categorías de estudio en función de la previsión de influencias, según la longitud de paralelismo entre tubería y línea eléctrica, distancia entre ambas, tensión de la línea eléctrica, etc.
Modelo matemático por software
Este tipo de estudio, a partir de los datos eléctricos y dimensionales de la línea y tubería, facilita las curvas con el nivel de tensiones tanto de Conducción como de Inducción, a lo largo de toda la longitud de la tubería. Los valores corresponden a la situación más desfavorable.
Asimismo, en el caso de que los resultados indiquen que sea necesario, en el Estudio se facilita el diseño de los sistemas de mitigación a base de conjuntos de puesta a tierra (características y ubicación) o instalación de juntas aislantes pa ra la reducción de las influencias. El estudio aporta las nuevas curvas de la tensión mitigada, tras la instalación de los mismos.
Estudio convencional
Llevado a cabo a partir de los procedimientos de cálculo indicados en la normativa o especificaciones particulares.
Para la confección de este Estudio será preciso obtener de la Cía. Eléctrica, la información relativa a la línea y en campo o planos, la distancia de paralelismo o entre apoyos y tubería, resistividad del terreno, etc. El Estudio recomendará los elementos de Mitigación para minimizar dichas influencias y definirá y ubicará los elementos de control necesarios instalar en las zonas afectadas para obtener la información necesaria.
Conclusión
Una tubería enterrada de acero, provista de un revestimiento gran calidad, que esté prevista instalar en las proximidades del ferrocarril y/o líneas eléctricas de alta tensión, puede estar sometida a influencias eléctricas que pueden dar lugar a importantes riesgos de corrosión o a problemas de seguridad de las personas que la operan, debido a corrientes que se pueden canalizar por ella o a elevadas tensiones que se pueden inducir.
Antes de la implantación de la tubería, es preciso llevar a cabo estudios previos para valorar el riesgo de este tipo de influencias y diseñar si es necesario Sistemas de Mitigación para minimizarlos.
