PDVSA N° TÍTULO
REV. FECHA DESCRIPCIÓN PAG. REV. APROB. APROB.
APROB. FECHA APROB. FECHA
PDVSA, 1983
HA–201
CRITERIOS DE DISEÑO PARA SISTEMAS DE
PROTECCIÓN CATÓDICA
PARA APROBACIÓN
Luis Tovar ABR.05 Ernesto Valery ABR.05
ESPECIFICACIÓN DE INGENIERÍA JUL.93 ABR.05 L.T. 1 0 REVISIÓN GENERAL 77 28 E.V. L.T. ESPECIALISTAS
Índice
1 OBJETIVO
. . .
4
2 ALCANCE
. . .
4
3 REFERENCIAS
. . .
4
3.1 Petróleos de Venezuela – PDVSA . . . 4
3.2 American Society for Testing and Materials (ASTM). . . 4
3.3 American Petroleum Institute (API) . . . 4
4 DEFINICIONES
. . .
4
4.1 Aislamiento Eléctrico . . . 4
4.2 Ánodo . . . 4
4.3 Ánodo Galvánico/Ánodo de Sacrificio . . . 4
4.4 Bacterias Sulfatoreductoras . . . 5 4.5 Juntas Aislantes . . . 5 4.6 Caída IR . . . 5 4.7 Cátodo. . . 5 4.8 Corriente Impresa . . . 5 4.9 Corrosión . . . 5 4.10 Densidad de Corriente . . . 5
4.11 Electrodo de Cobre/Sulfato de Cobre . . . 5
4.12 Electrodo de Referencia . . . 6
4.13 Electrolito . . . 6
4.14 Estación de Prueba (Punto de Medición) . . . 6
4.15 Interconexión . . . 6
4.16 Interferencia . . . 6
4.17 Lecho de Ánodos Profundos. . . 7
4.18 Lecho de Ánodos Superficial . . . 7
4.19 Potencial Natural . . . 7
4.20 Potencial OFF (Potencial Polarizado) . . . 7
4.21 Potencial ON . . . 7
4.22 Potencial de Protección . . . 7
4.23 Protección Catódica . . . 7
4.24 Recubrimiento/Revestimiento . . . 7
4.25 Revestimiento + Protección Catódica . . . 7
4.26 Relleno o Backfill. . . 8
4.27 Sobreprotección . . . 8
5 PRINCIPIOS Y REQUERIMIENTOS DE PROTECCIÓN
CATÓDICA
. . .
8
5.2 Requerimientos . . . 8
5.3 Criterios de Protección Catódica . . . 9
5.4 Revestimientos . . . 10
6 BASES DE DISEÑO
. . .
11
6.1 Mediciones e Investigaciones Preliminares al Diseño . . . 14
6.2 Efectos de Interferencia Eléctrica. . . 19
7 PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODOS DE SACRIFICIO
. . .
22
7.1 General . . . 22
7.2 Aplicaciones de los Ánodos de Sacrificio . . . 22
7.3 Material de los Ánodos. . . 23
8 PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
. . .
26
8.1 General . . . 26
8.2 Fuentes de Corriente . . . 26
8.3 Material de los Ánodos. . . 28
9 CÁLCULOS DE DISEÑO
. . .
30
9.1 Ánodos Galvánicos . . . 30
9.2 Corriente Impresa . . . 36
10 AISLAMIENTO ELÉCTRICO
. . .
47
10.1 Sistemas de Protección de los Accesorios Aisladores . . . 49
11 INTERFERENCIA ELÉCTRICA
. . .
50
12 UBICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE MONITOREO DE SPC
. . . .
51
13 PROTECCIÓN DE TUBERÍAS ENTERRADAS
. . .
51
13.1 General . . . 51
13.2 Opción de Sistema . . . 52
13.3 Aterramiento de Tubería . . . 54
14 PROTECCIÓN DE TUBERÍAS O ESTRUCTURAS SUMERGIDAS
54
15 PROTECCIÓN DE FONDOS DE TANQUES
. . .
55
15.1 General . . . 55
15.2 Determinación de las Necesidades de Protección Catódica . . . 56
15.3 Condiciones del Suelo y Fundaciones . . . 57
15.4 Factores que deben ser Considerados . . . 59
15.5 Tipos de Protección Catódica Aplicables . . . 63
15.7 Puesta en Marcha y Prueba . . . 63
16 ESTRUCTURAS COSTA AFUERA ASOCIADAS CON PRODUCCIÓN
DE PETROLEO Y GAS
. . .
63
16.2 Procedimiento para el Diseño de Sistemas de Protección Catódica de
Estructuras Costa Afuera. . . 64
16.3 Tipos de Sistemas para Protección Catódica. . . 65
16.4 Factores que Determinan el Requerimiento Total de Corriente para Sistemas de Protección Catódica . . . 67
17 PROTECCIÓN DE EMBARCACIONES
. . .
70
18 PROTECCION DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
. . .
70
18.1 Cajas Enfriadoras (Box Coolers) . . . 70
18.2 Intercambiadores de Calor de Carcaza y Tubo . . . 70
19 SUPERFICIE EXTERNA DE CAMISAS DE POZOS PARA LA
EXTRACCIÓN DE PETROLEO Y GAS
. . .
71
19.1 General . . . 71
19.2 Determinación de las Necesidades de Protección Catódica . . . 71
19.3 Objetivos del Diseño de Protección Catódica . . . 73
19.4 Métodos para Determinar los Requerinientos de Corriente de Diseño . . 73
19.5 Tipos de Sistemas de Protección Catódica . . . 74
19.6 Consideraciones para el Diseño de Sistemas por Corriente Impresa . . . 74
19.7 Consideraciones de Diseño para la Aplicación de Protección Catódica a Varios Pozos . . . 75
20 PRECAUSIONES DE SEGURIDAD
. . .
76
21 CONSIDERACIONES ECONÓMICAS
. . .
76
22 REGISTROS
. . .
77
1
OBJETIVO
Establecer una guía para el diseño de un sistema de protección catódica y homologar los criterios y procedimientos mínimos para el diseño de los mismos a nivel corporativo.
2
ALCANCE
Este documento establece los principios básicos para el control de la corrosión de estructuras metálicas enterradas o sumergidas, mediante el uso de protección catódica, y a su vez describe los requerimientos y procedimientos mínimos necesarios para el diseño de los sistemas.
3
REFERENCIAS
3.1
Petróleos de Venezuela – PDVSA
O–201 “Selección y Especificaciones de Aplicación de Pinturas Industriales”.
PI–05–03–04 “Protección Catódica Galvánica en Cascos de Gabarras” Ver Tabla 2 de esta norma.
3.2
American Society for Testing and Materials (ASTM)
G 57 “Standard Test Method for Field Measurement of Soil Resistivity Using the Wenner Four–Electrode Method”.
3.3
American Petroleum Institute (API)
RP 651 “Cathodic Protection of Aboveground Petroleum Storage Tanks Second Edition”.
4
DEFINICIONES
4.1
Aislamiento Eléctrico
Describe la condición de estar eléctricamente aislado de otra estructura metálica, mediante el uso de empacaduras, juntas aislantes y otros dispositivos.
4.2
Ánodo
Electrodo de una celda electrolítica en el que se produce la oxidación o corrosión.
4.3
Ánodo Galvánico/Ánodo de Sacrificio
Metal que, debido a su ubicación relativa en la serie electromotriz, suministra corriente directa de protección a metales que son más nobles en dicha serie, cuando ambos están acoplados en el electrólito y eléctricamente. Estos ánodos constituyen la fuente de corriente en la protección catódica por ánodos galvánicos.
4.4
Bacterias Sulfatoreductoras
Grupo de bacterias presentes en suelos y aguas naturales, pero activas solamente en condiciones anaeróbicas y de pH cerca del neutro. Estas bacterias aumentan el requerimiento de potencial de protección debido a la despolarización resultante de la producción de sulfuros.
4.5
Juntas Aislantes
Accesorio constituido de un material aislante que se intercala entre estructuras metálicas para separarlas eléctricamente. Estas incluyen bridas aislantes y juntas monolíticas.
4.6
Caída IR
Voltaje a través de una resistencia de acuerdo con la Ley de Ohm.
4.7
Cátodo
Electrodo de una celda electrolítica en el que se produce la reacción de reducción y prácticamente no sufre corrosión.
4.8
Corriente Impresa
Corriente directa suministrada por una fuente de poder externa al componente anódico. Entre las fuentes de poder típicas, tenemos: rectificadores, módulos solares, generadores de motores eléctricos, baterias y molinos de viento (energía eólica).
4.9
Corrosión
Deterioro de un metal, o de sus propiedades, debido a su reacción electroquímica con el medio ambiente.
4.10
Densidad de Corriente
Corriente directa que circula hacia o desde la superficie de un electrodo por unidad de área, generalmente expresada como A/m2 o mA/m2, mA/ft2. La densidad de corriente óptima para obtener protección catódica varía dependiendo del ambiente y de la estructura a ser protegida.
4.11
Electrodo de Cobre/Sulfato de Cobre
Electrodo de referencia muy estable, utilizado para medir niveles de protección catódica de un metal. Está formado por una barra de cobre de alta pureza, en contacto eléctrico con una solución saturada de sulfato de cobre.
4.12
Electrodo de Referencia
Media celda reversible con potencial de circuito abierto constante bajo condiciones similares de medida que se puede utilizar en forma permanente o portátil. Se utiliza para medir potenciales metal/electrolito, siendo los más comunes los electrodos de cobre/sulfato de cobre, plata/cloruro de plata y cinc.
Fig 1. CELDA DE REFERENCIA
Conexión para Instrumento de Medición Metal Metal Metal Solución Tapón de Material Poroso
4.13
Electrolito
Medio en el cual se encuentran el ánodo y el cátodo. Sustancia química o mezcla, usualmente líquida o sólida, que contiene iones que migran en un campo eléctrico. Para efectos de este manual, el término electrolito se refiere al suelo o líquido adyacente y en contacto con la estructura metálica enterrada o sumergida, incluyendo humedad, sales y otros químicos contenidos en él.
4.14
Estación de Prueba (Punto de Medición)
Dispositivo superficial al cual llegan uno o más cables soldados a la estructura. Se instalan en la trayectoria de la estructura con la finalidad de obtener mediciones de potencial para evaluar el nivel de protección, patrones de interferencia y drenaje de corriente de las estructuras.
4.15
Interconexión
Conductor eléctrico, usualmente de cobre, utilizado para interconectar estructuras diferentes, a fin de evitar cambios apreciables en el potencial de un punto con respecto al otro o nivelarlos.
4.16
Interferencia
Efecto adverso causado sobre estructuras no conectadas a los sistemas de protección catódica por corriente impresa, generando corrosión acelerada de las mismas.
4.17
Lecho de Ánodos Profundos
Grupo de ánodos instalados en un hoyo vertical, cuya profundidad es mayor a 20 m. Los objetivos que se persiguen con este tipo de lecho son obtener baja resistencia en el sistema, distribuir uniformemente la corriente y minimizar la interferencia eléctrica anódica.
4.18
Lecho de Ánodos Superficial
Grupo de ánodos instalados en un hoyo horizontal, vertical o direccional, cuya profundidad es menor a 20 m.
4.19
Potencial Natural
Potencial espontáneo (sin impresión de corriente eléctrica directa) que adquiere una estructura metálica al estar en contacto con un electrolito, también denominado potencial de corrosión.
4.20
Potencial OFF (Potencial Polarizado)
Suma del potencial de corrosión y la polarización catódica medido inmediatamente después de haber interrumpido el flujo de corriente (descartando la caída IR).
4.21
Potencial ON
Potencial medido con la corriente de protección aplicada. Representa la suma de todas las caídas de potencial del circuito de medición.
4.22
Potencial de Protección
Potencial mínimo requerido para que una estructura metálica esté protegida catódicamente.
4.23
Protección Catódica
Técnica mediante la cual se controla la corrosión de superficies metálicas inmersas en un medio conductivo o electrolítico, alterando el potencial natural del metal hacia valores catódicos por medio de la aplicación de corrientes impresas o galvánicas.
4.24
Recubrimiento/Revestimiento
Material que se aplica sobre la superficie de un metal para aislarlo del medio ambiente o del electrolito.
4.25
Revestimiento + Protección Catódica
Combinación ideal (costo/calidad) para controlar la corrosión en estructuras metálicas enterradas o sumergidas.
4.26
Relleno o Backfill
Material absorbedor de humedad, de baja resistencia eléctrica, que rodea al ánodo enterrado, utilizado con el propósito de incrementar el área efectiva de contacto con el suelo, y por lo tanto, reducir la resistencia de contacto con el mismo.
4.27
Sobreprotección
Término utilizado cuando el potencial de protección causa pérdidas de energía, desgaste prematuro de los ánodos, desprendimiento del revestimiento y en algunos casos la fragilidad de la estructura por penetración de hidrógeno.
5
PRINCIPIOS Y REQUERIMIENTOS DE PROTECCIÓN
CATÓDICA
5.1
Protección Catódica
Todas las estructuras metálicas enterradas o sumergidas están sujetas a corrosión, por lo cual deben adoptarse procedimientos adecuados para el control de la misma y asegurar la integridad mecánica para una operación segura y económica.
La protección catódica, es una técnica de control de corrosión, la cual tiene como fundamento la polarización, a potenciales más negativos, de cualquier superficie metálica hasta alcanzar un grado de polarización, en el cual se acepta que dicha superficie metálica es inmune a la corrosión. Esta polarización se alcanza mediante el empleo de una fuente externa. Existen dos métodos diferentes para lograr la protección catódica; el primero, conectando la superficie metálica que se trata de proteger a un metal menos noble que ésta, es decir, más negativo en la serie electroquímica, este procedimiento es conocido como sistema de protección catódica por ánodos galvánicos, ya que se forma una pila galvánica. El segundo, es denominado, sistema de protección catódica por corriente impresa, el cual consiste en conectar un conjunto de ánodos a la superficie metálica por medio de una fuente de energía externa, obligando a drenar corriente entre la superficie a proteger y el conjunto de ánodos alcanzando los potenciales de protección.
5.2
Requerimientos
5.2.1 Los controles de corrosión externa deben ser considerados durante el diseño del sistema (estructura) y de las primeras defensas contra la corrosión externa deben ser los revestimientos y la selección de materiales. Los revestimientos perfectos no son posibles por lo cual la protección catódica debe combinarse con éstos.
5.2.2 Se instalará un sistema de protección catódica para toda estructura enterrada o sumergida a fin de contrarrestar la corrosión que podría ocasionar fallas estructurales. Así mismo, se desarrollarán los procedimientos de monitoreo para determinar si se ha obtenido una protección catódica adecuada.
5.2.3 Todas las estructuras de acero, enterradas o sumergidas, deben contar con un sistema de protección catódica permanente en un plazo no mayor a un año posterior a la finalización de su construcción. En el caso que ya exista el sistema de protección catódica, la nueva estructura se conectará al mismo, si éste tuviese la capacidad adecuada o se puede adecuar ampliándolo.
5.2.4 Los planos de ingeniería deberán definir claramente la ubicación del equipo de protección catódica incorporado en la tubería, así como la ubicación de otras instalaciones o estructuras, bien sean a la vista o enterradas, que pudiesen afectar o ser afectadas por el sistema de protección catódica. El diseño del sistema se hará para el tiempo de vida útil de la instalación.
5.2.5 El sistema de protección catódica seleccionado deberá ser diseñado de forma tal que se evite cualquier efecto corrosivo adverso en estructuras cercanas (equipos, tuberías, cables, etc.).
5.2.6 Los materiales y equipos cumplirán con las normas citadas o serán aprobados por el ingeniero del proyecto para los requerimientos especiales. Cuando se requiera, se suministrará al ingeniero del proyecto un grupo de materiales de muestra para ensayos destructivos, para la inspección de control de calidad y su respectiva aprobación antes de que se envíen los materiales. Se incluirá una copia de los resultados del ensayo, junto con la muestra. Cualquier otro equipo estará sujeto a una inspección de aceptación por parte del ingeniero del proyecto.
5.2.7 La aplicación de esta norma debe estar bajo la dirección de especialistas designados por PDVSA, quienes por conocimiento de los principios físicos, matemáticos y de ingeniería, adquiridos por educación y experiencia práctica relacionada, estén capacitados para dedicarse a la práctica de control de corrosión de estructuras metálicas enterradas o sumergidas.
5.3
Criterios de Protección Catódica
Debido a que, a diversos niveles de polarización catódica se puede controlar la corrosión externa en estructuras de acero enterradas o sumergidas en un medio eléctricamente conductor, se recomienda tomar en cuenta los siguientes criterios de protección:
5.3.1 Criterio del Potencial Mínimo: El valor mínimo de polarización catódica para controlar la corrosión es de – 850 mV. Este valor es medido respecto al electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre (Cu/CuSO4) en contacto con el electrolito,
5.3.2 Para medios anaeróbicos o condiciones especiales, puede requerirse un valor más negativo. Tal es el caso de medios con bacterias sulfatoreductoras, en los que se requiere un potencial mínimo de –950 mV con respecto al electrodo de Cu/CuSO4.
5.3.3 Criterio del Cambio de Potencial: La diferencia de los potenciales de referencia medidos en OFF y Natural de la estructura debe ser como mínimo de –100 mV. 5.3.4 Criterio – 850 mV Polarizado (Potencial OFF): cuando existe un potencial polarizado negativo de al menos 850 mV con respecto al electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre en contacto con el electrolito.
5.4
Revestimientos
La corrosión pudiera prevenirse cubriendo la totalidad de la estructura enterrada o sumergida con un recubrimiento impermeable no conductivo, lo cual sería ideal, pero casi imposible de llevar a cabo a un costo razonable. En general los recubrimientos sufren daños en el transporte al sitio de instalación. En suelos corrosivos, la más pequeña discontinuidad del revestimiento protector puede redundar en corrosión local severa. Prácticamente, todo tipo de revestimiento desarrolla imperfecciones, y se produce corrosión en las pequeñas áreas de metal expuesto donde se rompe la barrera de aislamiento. El revestimiento es una herramienta muy efectiva en el control de la corrosión, y cuando se utiliza junto con la protección catódica, se puede obtener un control completo con un mínimo de corriente aplicada.
Los revestimientos casi nunca son afectados por la aplicación correcta de la protección catódica; sin embargo, potenciales muy negativos, con referencia al electrodo de Cu/CuSO4 pueden dañar el revestimiento causando evolución de
hidrógeno en la superficie del metal. La Tabla 1 muestra los límites de potencial ON recomendados, en el punto de inyección, para estructuras enterradas/sumergidas, para evitar el desprendimiento del revestimiento por exceso de corriente de protección catódica.
TABLA 1. LÍMITES DE POTENCIAL ON RECOMENDADOS, EN EL PUNTO DE INYECCIÓN, PARA ESTRUCTURAS ENTERRADAS/SUMERGIDAS (REFERIDOS AL
ELECTRODO DE COBRE/SULFATO DE COBRE)
Tipo de revestimiento Potencial (V) vs Cu/CuSO4
Resina epóxica en polvo, aplicada por fusión electrostática –1.5 Esmalte asfáltico –2.0 Alquitrán de hulla –1.5 Polietileno –1.0 Cinta adhesiva –1.5
6
BASES DE DISEÑO
El diseño de un sistema de protección catódica deberá basarse en información obtenida de la inspección de instalaciones similares, en ambientes similares y/o de un estudio detallado de las condiciones en sitio. Las condiciones a determinar en sitio son:
a. Resistividad, pH y composición química del medio b. Continuidad eléctrica de la estructura
c. Proximidad de otras estructuras
d. Potenciales de Referencia de estructuras adyacentes e. Disponibilidad de energía eléctrica
f. Condición y tipo de revestimiento
g. Facilidad de acceso para construcción y mantenimiento h. Clasificación de áreas
i. Seguridad en sitio de los equipos en cuanto a hurto j. Planos y especificaciones de construcción
k. Tiempo de vida útil de la estructura (activa)
l. Histórico de inspecciones de tuberías o estructuras adyacentes
El diseño de un sistema de protección catódica debe considerar los aspectos antes mencionados u otros que no permitan interferencia a las estructuras adyacentes.
El diseño de un sistema de protección catódica no deberá contemplar la instalación en áreas peligrosas de equipos de suministro de energía eléctrica, cajas de conexiones, etc., cuando sea posible. Cuando la instalación deba realizarse en este tipo de áreas clasificadas, se deberán utilizar los materiales correspondientes especificados para tal fin (Ver Tabla 2).
TABLA 2. MANUALES DE ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE MATERIALES – PDVSA
Código Título
EM–22–01/01 ALAMBRES Y CABLES MONOPOLARES AISLADOS CON TERMOPLASTICOS PARA 600V
EM–22–05/01 CABLES PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL EM–24–11/01
CAJAS Y ACCESORIOS PARA INSTALACIONES ELECTRICAS DE USO EN LUGARES (CLASIFICADOS) PELIGROSOS
Código Título
EM–28–07/01 ANODOS DE ALUMINIO (AL) PARA PROTECCION CATODICA
EM–28–07/02 ANODOS DE MAGNESIO (MG) PARA PROTECCION CATODICA
EM–28–07/03
COQUE METALURGICO PARA USO EN LECHOS DE ANODOS PARA SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA CON CORRIENTE IMPRESA
EM–28–07/04
ANODOS DE HIERRO–SILICIO Y HIERRO – SILICIO – CROMO PARA PROTECCION CATODICA POR CORRIENTE IMPRESA
EM–28–07/05 TRANSFORMADOR / RECTIFICADOR DE PROTECCION CATODICA
EM–01–00/01 RESINA EPOXICA EN POLVO PARA TUBERIA METALICA
EM–01–01/03 REVESTIMIENTO INTERNO CON EPOXI ADUCTO AMINA PARA TANQUES Y TUBERIAS
EM–01–01/04 REVESTIMIENTO DE ZINC SOBRE PRODUCTOS DE HIERRO Y ACERO
EM–01–01/05
REVESTIMIENTO INTERNO DE EQUIPOS CON PLASTICO REFORZADOS CON FIBRA DE VIDRIO (PRFV)
EM–01–01/06
RESINA POLIESTER ISOFTALICA PARA EL REVESTIMIENTO Y FABRICACION DE TANQUES Y TUBERIAS
EM–01–01/07
RESINA POLIESTER BIFENOLICA PARA EL REVESTIMIENTO Y FABRICACION DE TANQUES Y TUBERIAS
EM–01–01/08
RESINA EPOXI POLIAMIDA PARA EL REVESTIMIENTO Y FABRICACION DE TANQUES Y TUBERIAS
EM–01–01/09 RESINA FURANICA PARA EL REVESTIMIENTO Y FABRICACION DE TANQUES Y TUBERIAS
EM–01–01/10 RESINA VINIL ESTER PARA EL REVESTIMIENTO Y FABRICACION DE TANQUES Y TUBERIAS
EM–01–01/11 FIBRA DE VIDRIO PARA EL REVESTIMIENTO Y FABRICACION DE TANQUES Y TUBERIAS
EM–01–01/16
SISTEMA MULTICAPA EPOXI–POLIOLEFINA REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA A ALTAS TEMPERATURAS
EM–01–01/17 RESINA EPOXICA EN POLVO PARA REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA, A ALTAS TEMPERATURAS
Código Título
EM–01–01/18
CINTAS DE POLIOLEFINAS PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA A ALTAS TEMPERATURAS
EM–01–01/19
RESINA EPOXICA REFORZADA CON FIBRA DE VIDRIO PARA REVESTIMIENTO EXTERNO DE TUBERIA METALICA A ALTAS TEMPERATURAS EM–01–02/01
BREA EPOXICA (COALTAR EPOXY) CURADA CON POLIAMIDA PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA
EM–01–02/02
BREA EPOXICA (COAL TAR EPOXY) CURADA CON AMINA PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA
EM–01–02/03
BREA EPOXICA (COAL TAR EPOXY) CURADA CON ADUCTOAMINA PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA
EM–02–11/01
ACEITES MINERALES AISLANTES CON INHIBIDOR DE OXIDACION PARA USO EN TRANSFORMADORES E INTERRUPTORES
EM–04–02/01 MORTERO DE CEMENTO PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA
EM–04–05/01 POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD EXTRUIDO PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA
EM–04–05/02 POLIPROPILENO EXTRUIDO PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA
EM–04–10/01
CINTAS DE POLIETILENO APLICADAS EN FRIO Y/O EN CALIENTE PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA
EM–04–11/01
MANGAS TERMOCONTRACTILES PARA PROTECCION DE JUNTAS Y/O REPARACIONES DE REVESTIMIENTOS DE TUBERIA METALICA
EM–04–11/02
MANGAS TERMOCONTRACTILES PARA PROTECCION DE JUNTAS Y/O REPARACIONES DE REVESTIMIENTOS DE TUBERIA METALICA A ALTAS TEMPERATURAS
EM–04–13/01 CAUCHO POLICLOROPRENO (NEOPRENO) PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA
FUENTE: Manuales de Especificaciones Técnicas de Materiales
www.intevep.pdv.com/santp
Todas las estructuras enterradas o sumergidas en un corredor deberán tener un sistema de protección catódica integrado, cualquiera sea el tipo de revestimiento de las estructuras existentes.
Se podrá utilizar la capacidad disponible de los sistemas de protección catódica existentes, siempre y cuando su desempeño no sea afectado en forma adversa. Se requieren consideraciones especiales de diseño para tuberías enterradas dentro del área de plantas, refinerías, etc. Lechos de ánodos galvánicos o inertes, distribuidos, deberán instalarse en estas áreas para complementar la protección. Se deberán instalar puntos de prueba adicionales para monitorear los niveles de protección de estas secciones de tubería.
6.1
Mediciones e Investigaciones Preliminares al Diseño
La adecuada recopilación de datos en campo es obligatoria. Además de la medición eléctrica, la información incluirá fechas, estado del tiempo, descripción y condición del terreno, vías de acceso, fuentes potenciales de energía eléctrica, ubicación adecuada para lechos de ánodos o ánodos de sacrificio, seguridad, así como cualquier otra información pertinente.
Los datos obtenidos en las mediciones indicarán también la ubicación de todas las estructuras enterradas o sumergidas adyacentes a la obra, la condición de las superficies metálicas expuestas y la calidad del aislamiento del revestimiento en dichas estructuras.
Los sitios posibles de ubicación detallada de los sistemas de protección catódica, serán localizados con mediciones detalladas tomando como referencia puntos fijos establecidos usando el método de triangulación.
El especialista preparará un diseño detallado del sistema de protección propuesto, el cual tomará en consideración las siguientes proposiciones:
a. Estará basado en una continua operación del sistema para la vida útil especificada en el diseño de la estructura o equipo a ser protegido.
b. Considerará los requerimientos para la instalación de cualquier interconexión necesaria entre estructuras que puedan estar sujetas a interferencia catódica.
c. Incluirá detalles para la puesta en marcha del sistema, el diseño y la ubicación de bridas con aislamiento y puntos de medición.
6.1.1 Caracterización del Medio
Para el diseño de sistemas de protección catódica de estructuras enterradas o sumergidas es importante la realización de mediciones de campo que permitan la caracterización del medio, para así evaluar la factibilidad de instalar un sistema de protección catódica.
La resistividad del electrolito representa la investigación preliminar más importante al momento de diseñar un sistema de protección catódica. En suelos la resistividad puede variar con el contenido de agua y sales disueltos en estos y por lo tanto, se ve influenciada por las lluvias. Aún cuando la resistividad sola no indica la corrosividad de un medio, existe cierta relación entre las dos propiedades, como se muestra en la Tabla 3.
TABLA 3. CLASIFICACIÓN DEL MEDIO ELECTROLITO DE ACUERDO CON SU RESISTIVIDAD
Resistividad del medio (ohm–cm) Corrosividad
Menos de 500 Muy corrosivo
Entre 500 y 1.000 Corrosivo
Entre 1.000 y 2.000 Moderadamente Corrosivo Entre 2.000 y 10.000 Ligeramente Corrosivo
Mayores a 10.000 Progresivamente menos corrosivo
FUENTE: API RP 651
La medición de la resistividad del suelo se realizará utilizando el método de los cuatro electrodos (método de Wenner), según procedimiento especificado en la norma ASTM G 57.
Donde se requieran mediciones de la resistividad a lo largo de la tubería, éstas se harán a intervalos máximos de 1 Km (o menos cuando las condiciones del suelo cambien), utilizando una separación entre electrodos equivalente a la profundidad de la estructura o a la profundidad requerida.
Se tomarán lecturas de resistividad en las ubicaciones propuestas para los lechos de ánodos a fin de elaborar mapas de contornos para cada una de ellas. Las lecturas de resistividad serán corregidas para considerar condiciones más críticas, es decir, en época de verano.
Cuando se presenten factores que puedan alterar las características del medio, se tomarán muestras del suelo para determinar características adicionales del mismo, tales como sales solubles, contenido de humedad, pH, etc. Se determinará el contenido de sulfatos a fin de detectar la presencia de bacterias sulfatoreductoras.
6.1.2 Pruebas de Drenaje de Corriente
Se obtendrán parámetros de diseño completos al instalar un sistema de protección temporal, el cual permitirá medir la cantidad de corriente requerida para proteger adecuadamente una estructura enterrada o sumergida. El sistema de protección catódica temporal estará conformado por:
a. Un lecho de ánodos temporal, el cual estará ubicado en el lugar
seleccionado para la instalación permanente propuesta. Este lecho temporal estará constituido por tubería de desecho, estructuras metálicas enterradas o sumergidas abandonadas, etc. El cableado temporal, necesario para conectar los lechos de ánodos, tendrá aislamiento suficiente para prevenir fugas de corriente no controladas y garantizar la seguridad del personal. A su vez, se deberá contar con un interruptor adecuado para llevar a cabo de forma eficiente y eficaz las pruebas de drenaje de corriente. b. Una fuente de energía temporal, la cual consistirá de generadores
impulsados por motores, acumuladores estacionarios, unidades de protección catódica existentes, rectificadores portátiles combinados con energía comercial disponible, etc. Este equipo suministrará una corriente directa constante, bien regulada, de una tensión e intensidad en las magnitudes requeridas durante el ensayo.
Una vez que el sistema se ha estabilizado en los niveles de protección requeridos, se harán mediciones del drenaje de corriente del sistema temporal y se considerará la resistencia total del circuito de inyección de –1000 mV con respecto a Cu/CuSO4, esto para cálculo de diseño.
La Tabla 4 indica un estimado de las densidades de corriente mínimas requeridas para la protección catódica de acero desnudo en diferentes medios, a temperatura ambiente de 15 a 25 °C.
TABLA 4. DENSIDADES DE CORRIENTE REQUERIDAS PARA PROTECCIÓN CATÓDICA DE ACERO DESNUDO EN DIVERSOS MEDIOS (@Tambiente =15 a 25 5C)
Medio Densidad de Corriente
(mA/m2)
Suelos * 10 a 30 (1)
Suelos neutro o estéril ** 5 a 17 Suelo aereado y seco ** 5 a 17
Suelo húmedo 28 a 66
Suelo muy ácido 56 a 170
Suelo con baterías 450
Agua Dulce y Zonas Fangosas *** 11 a 32 Agua Dulce estancada ** 56 Agua Dulce en movimiento ** 56 a 66 Agua Dulce, turbulenta ** 56 a 170
Agua Salada * 50 a 80
Agua Salada en movimiento * 100 a 150 Lago de Maracaibo * 50 a 100
Medio Densidad de Corriente (mA/m2)
Plataforma Continental Venezolana (agua) *
80 Plataforma Continental Venezolana
(barro) *
30
FUENTE:
* Manual de Protección Catódica: Diseño y Aplicaciones. Jorge Goldin. ** www.biblioteca.redescolar.ilce.edu.mx. Ciencias química. “Más allá de la
herrumbre II”.
*** Cathodic Protection Manual. Royal Dutch / Shell Group:
(1) En suelos anaeróbicos, transcurren algunos meses antes de que se
verifique la polarización completa.
(2) Los valores dependen de la velocidad del agua.
Las densidades de corriente mínimas para la protección catódica de estructuras metálicas revestidas se especifican en la Tabla 5.
TABLA 5. DENSIDADES DE CORRIENTE REQUERIDAS PARA PROTECCIÓN CATÓDICA DE ESTRUCTURAS METÁLICAS REVESTIDAS
Tipo de Revestimiento Densidad de Corriente (mA/m2 )
Cinta 1.25
Resina Epóxica en polvo 0.10 Polietileno Extruido 0.10 Brea Epoxy (Coal Tar) 0.75
FUENTE: Manual de Ingeniería de Diseño de Sistemas de Protección Catódica de estructuras enterradas/sumergidas, PDVSA Occidente, 1998 (RP–PC–001–98).
Cuando no pueda ser determinada a través de una prueba de drenaje de corriente, la selección final de los requerimientos de corriente será una combinación de los factores indicados anteriormente. Para estructuras revestidas, es necesario estimar la superficie total sobre la cual el revestimiento no es efectivo (% de área desnuda) y en base a ésta, determinar los requerimientos de corriente.
La Tabla 6 muestra valores de eficiencia del revestimiento, que deben ser considerados para determinar la superficie total a proteger.
TABLA 6. EFICIENCIA DEL REVESTIMIENTO Años de servicio de la instalación Deterioro del revestimiento (%) 0 1.01 1 1.16 2 1.32 3 1.51 4 1.73 5 1.98 6 2.27 7 2.60 8 2.97 9 3.40 10 3.89 11 4.45 12 5.09 13 5.82 14 6.66 15 7.63 16 8.73 17 9.99 18 11.43 19 13.07 20 14.96
FUENTE: Manual de Ingeniería de Diseño de Sistemas de Protección Catódica de estructuras enterradas/sumergidas, PDVSA Occidente, 1998 (RP–PC–001–98).
6.1.3 Medición de Potenciales
La medición de potencial entre la estructura y el medio electrolito se obtendrá en todos los terminales de medición, a ambos lados de las bridas o uniones con aislamiento, en los cruces con otras estructuras metálicas enterradas o sumergidas o cualquier estructura similar próxima a la estructura que esté siendo protegida; asimismo, en cualquier otro punto donde se considere necesario determinar la efectividad del sistema de protección catódica propuesto, y evitar la corrosión por corrientes de fuga a estructuras que no estén incluidas dentro del sistema de protección.
Todas las lecturas de potencial serán registradas con precisión de milivoltios (mV), utilizando instrumentos adecuados y electrodos de referencia de cobre/sulfato de cobre (Cu/CuSO4) o plata/cloruro de plata (Ag/AgCl).
Las lecturas de potencial serán tomadas a intervalos suficientes para prevenir la omisión de alguna zona no protegida, o en proceso de corrosión de la estructura a ser protegida. Las lecturas también se obtendrán para asegurar que el sistema de protección catódica que se está diseñando no ocasionará problemas de interferencia no controlables en otras estructuras. En áreas clasificadas peligrosas, tales como estaciones y patios de tanques, se tomarán lecturas adicionales necesarias que permitan detectar cualquier situación de peligro que pueda originarse de la instalación de la protección catódica.
Para el diseño del sistema de protección catódica se realizarán las siguientes mediciones de potencial:
a. Potencial Natural: se tomará el potencial de la estructura sin aplicación de corriente. Para ello se deben desconectar todos los sistemas de protección catódica que puedan estar ocasionado alguna influencia sobre la estructura bajo estudio y esperar un tiempo prudencial para que se produzca la despolarización de la estructura.
b. Nivel Mínimo de Protección: utilizando el sistema de protección catódica temporal, se drenará suficiente corriente a fin de lograr la protección de toda la estructura, alcanzando los niveles mínimos aceptables aplicables para los criterios que sean utilizados.
c. Nivel Máximo de Protección: una vez que se hayan determinado los niveles mínimos de corriente de protección, la salida de corriente del sistema de protección catódica temporal se incrementará hasta que se alcancen los niveles máximos de protección aceptables. En esta condición se medirá la atenuación de la protección a través de toda la estructura.
6.2
Efectos de Interferencia Eléctrica
Las corrientes de interferencias (corrientes parásitas) asociadas con los problemas de corrosión son, como su nombre lo indica, corrientes directas que fluyen en la tierra desde una fuente asociada con la línea afectada. Para causar corrosión en la tubería, la corriente directa debe fluir desde una fuente externa hacia un área de la tubería, viajar a través de ésta hacia otra área y salir de la tubería para volver a entrar al medio (resultando en corrosión), completando el circuito al regresar a la fuente de poder original. Las corrientes de interferencia pueden ser estáticas o dinámicas.
Las fuentes típicas de corrientes parásitas son:
b. Sistemas de transporte masivo operados por electricidad (trenes) d. Torres de alta tensión
e. Corrientes telúricas
En ocasiones, las corrientes AC fluyen a la tierra de sistemas de distribución eléctrica, pudiendo convertirse en pequeños problemas de interferencia de menor grado.
Los sistemas de protección catódica por corriente impresa pueden causar corrientes de interferencia en tuberías adyacentes dependiendo de la ubicación del lecho de ánodos, localización exacta de la tubería y las características operacionales del sistema.
Cualquier acción que se tome para prevenir la entrada de corriente al electrolito disminuirá la posibilidad de que las corrientes parásitas afecten una estructura enterrada o sumergida, razón por la cual, la presencia de corrientes parásitas debe ser tomada en cuenta durante el diseño de los sistemas de protección catódica, así mismo, el diseño de instalaciones para protección catódica debe minimizar la interferencia con otras estructuras.
En los puntos donde se presume puedan existir problemas de interferencia se dará revestimiento adecuado y/o aislamiento a fin de minimizar el flujo de estas corrientes.
El diseño también debe considerar, cuando sea necesario, la instalación de puentes adecuados, entre las estructuras enterradas y/o sumergidas, a fin de prevenir el efecto corrosivo de las corrientes parásitas.
Se deberán mantener registros o mapas actualizados para mostrar la localización de los sistemas de protección catódica propios y foráneos, las tuberías protegidas, las tuberías interconectadas, etc.; a fin de mantener un estricto control sobre la protección catódica de las estructuras correspondientes.
Se deberán realizar pruebas y mediciones de potenciales en áreas donde se piense diseñar un sistema de protección catódica para verificar la posible presencia de corrientes de interferencia, para lo cual se podrá usar cualquiera o una combinación de los métodos de ensayo descritos en los puntos 6.2.1 al 6.2.4 de la presente norma.
Algunos de los métodos utilizados para reducir o eliminar las interferencias por corrientes parásitas desde instalaciones de protección catódica, incluyen:
6.2.1 Interconexiones
Cuando se tiene que una tubería está siendo afectada por otra que tiene protección catódica, el método comúnmente usado para corregir esta situación consiste en conectar una resistencia entre las dos tuberías. Esta resistencia en la interconexión debe estar ajustada para que drene sólo la corriente suficiente desde la línea afectada para eliminar la condición de daño. Normalmente, esta operación es realizada en conjunto con el representante de la línea afectada o bajo su consentimiento, preferiblemente por escrito. El establecimiento exacto de cuando ha sido eliminado el efecto de las corrientes de interferencia es crítico. Para determinarlo, la conexión se ajusta con el interruptor de corriente en el rectificador de la línea que causa la interferencia con un voltímetro preparado para medir el potencial de la línea afectada con respecto al electrodo de cobre–sulfato de cobre en el punto de cruce o en el punto de mayor exposición. La resistencia de la conexión se hace de manera que el potencial de la línea afectada con el rectificador ON sea la misma que la observada antes de la instalación de la conexión.
El propósito principal de la interconexión es evitar la corriente de interferencia mediante el balance de los potenciales de referencia de las estructuras conectadas.
6.2.2 Revestimientos
Algunas interferencias no pueden ser resueltas mediante la interconexión, tal es el caso de interferencia producto de cruces de tuberías poco revestidas o desnudas. Si se sabe relativamente la densidad de corriente que entra en la tubería desnuda a través del suelo, se localizará la zona en la cual se reduce el potencial de la tubería que se quiere proteger, una solución sería disminuir el flujo de la densidad de corriente a la tubería desnuda en el área de cruce. Esto puede ser logrado a través de la aplicación de revestimientos de calidad en el área de cruce en la tubería que causa la interferencia; obteniéndose como resultado una reducción del flujo de corriente desde el suelo hacia la línea que produce la interferencia.
6.2.3 Uso de Ánodos Galvánicos
Otra medida para corregir las interferencias implica el uso de ánodos galvánicos conectados a la línea afectada en el área de interferencia producto de la línea foránea protegida catódicamente.
Para muchas aplicaciones de este tipo, una línea simple de ánodos entre la línea afectada y la causante de la interferencia, será suficiente para mitigar los efectos dañinos. Los ánodos más fuertes serán usados en los puntos de mayor exposición en los cruces de tuberías y los más débiles en cualquier otra zona. Los ánodos de magnesio son usados exitosamente porque tienen un campo de gradiente de potencial anódico mas alto que los de cinc. La longitud de la ristra
de ánodos depende de la longitud del área de potencial caído en la línea afectada. Se deberá instalar un punto de prueba para monitorear periódicamente la salida del ánodo y facilitar la medición de potenciales.
6.2.4 Uso de Escudos Eléctricos
En lugares donde una línea pasa cerca del área de influencia de un lecho de ánodos circundante, es posible reducir la cantidad de corriente de interferencia que la línea recoge mediante el uso de “escudos eléctricos”. Los escudos reducen la absorción de corrientes de interferencia pero no las eliminan por completo. Se puede esperar que la corriente de interferencia aún fluya desde el área de absorción hasta algún punto de descarga donde ocurrirá la corrosión. Este flujo de corriente necesita ser revertido y se puede hacer a través de ánodos galvánicos o interconexiones, si el escudo ha reducido razonablemente la absorción de corrientes de interferencia.
Para los escudos se utiliza tubería desnuda, de diámetros pequeños (una tubería de 1/4 pulgada podría ser satisfactorio en muchos casos), para mantener la demanda de corriente entre lo razonable. Previo a la instalación de los escudos se debe realizar un estudio económico, para determinar la factibilidad de su colocación o de reubicar el lecho de ánodos.
7
PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODOS DE SACRIFICIO
7.1
General
Con este método, prevalece la acción galvánica para proveer corriente de protección. La superficie de la estructura se hace catódica conectándola a un metal menos noble (ánodo) en un electrolito común. Los elementos más usados para este fin son el magnesio, el aluminio y el cinc. Estos ánodos comúnmente se conocen como ánodos de sacrificio porque la protección de la estructura va acompañada del consumo simultáneo de los ánodos por corrosión electroquímica.
7.2
Aplicaciones de los Ánodos de Sacrificio
Los ánodos de sacrificio se utilizan principalmente cuando se requieren corrientes relativamente pequeñas en sitios con muy baja resistividad eléctrica.
Los sistemas de protección catódica por ánodos de sacrificio son utilizados principalmente para:
7.2.1 Proteger pequeñas secciones de tubería con revestimiento en buenas condiciones o fondos de tanques, que requiera una cantidad moderada de corriente.
7.2.2 Complementar localmente la falta de protección de una estructura ya protegida por un sistema de corriente impresa.
7.2.3 Proteger temporalmente una estructura durante su construcción, hasta que sea instalado el sistema de protección catódica por corriente impresa.
7.2.4 Corregir interferencias que puedan presentarse por corrientes parásitas de baja intensidad producidas por un sistema de protección catódica por corriente impresa u otra fuente de corriente continua (este tipo de situación se produce generalmente en los cruces de tuberías).
7.2.5 Controlar corrientes de interferencia en áreas congestionadas y en áreas urbanas.
7.2.6 Proteger estructuras donde no se disponga de ninguna fuente de energía eléctrica.
7.2.7 Aunque no represente una aplicación de protección catódica, los ánodos de sacrificio pueden ser utilizados como tomas de tierra en estaciones para eliminar puntos de tensión AC sobre los equipos.
7.3
Material de los Ánodos
Los ánodos de sacrificio se fabrican principalmente de magnesio, aluminio y cinc. Las principales características de estos ánodos se presentan en la Tabla 7.
TABLA 7. CARACTERÍSTICAS DE LOS ÁNODOS DE SACRIFICIO
Aleación Medio Consumo (kg/A–año) (1) Capacidad Teórica (A–h/kg) (2) Eficiencia (%) (3) Capacidad Práctica (A–h/kg) (4) Magnesio 0.5–1.3% Mn Suelo/Agua dulce 3,98 2.200 50 1.100 5–7% Al / 2–4% Zn Suelo/Agua dulce Cinc 0.3–0.5% Al / 0.025–0.1 % Cd Agua de mar 10,69 820 90–95 (5) 740–780 Aluminio (6) 0.35–0.5% Zn Agua de mar 6–8% Zn/0.1–.02% Sn Fango de mar 2,94 2.980 85–95 2.540–2.830
2–5%Zn/0.02–0.05%In/0.5–1% Mg Fango de mar
(1) El consumo fue calculado a partir de la siguiente expresión: W+M * t * lńn * F * 1000
donde:
W : Consumo (kg/A*año)
t : Tiempo (3.1536x107 s/año)
l : Flujo de corriente promedio (A) en el tiempo t.
n : Número de electrones transferidos por átomo de material anódico (Estado de oxidación o Valencia).
F : Constante de Faraday (96490 coulombios/equiv.gr.material anódico). (2) La capacidad teórica fue calculada a partir de la siguiente expresión:
Ct+ ǒ8760ńWǓ donde:
Ct : Capacidad Teórica de drenaje de corriente del material anódico (A*h/kg). W : Consumo (kg/A*año)
(3) WAGNER, John: Cathodic Protection Design I. NACE International. Abril, 1993.
PEABODY, A.W. : Control of Pipeline Corrosion. NACE. Houston, 1967. (4) La capacidad práctica fue calculada a partir de la siguiente expresión:
Cp+Ct * Eficiencia
donde:
Cp: Capacidad Práctica (A*h/kg) Ct: Capacidad Teórica (A*h/kg)
(5) La eficiencia del cinc es razonablemente constante para salidas de corriente bajas a muy altas, en términos de mA/pie2 de superficie del ánodo. Esto aplica cuando se emplean ánodos de cinc de alto grado de pureza. Una eficiencia de 90% es conservadora.
(6) A regulaciones ambientales, los ánodos de aluminio no deben contener mercurio (Hg).
Los ánodos de magnesio pueden utilizarse económicamente en medios de más alta resistividad (mayor de 3.000 ohm–cm), en comparación con los ánodos de cinc de aluminio. No deben utilizarse en aguas salobres a temperaturas mayores de 30°C o en aguas frescas a temperaturas mayores de 45°C, dado que la autocorrosión de los ánodos se acentúa a altas temperaturas, disminuyendo así su eficiencia.
Para aplicar protección catódica con ánodos de magnesio, éstos deben tener una alta pureza.
Los ánodos de cinc no son una alternativa económica en medios de resistividad mayor de 1.500 ohm–cm. Su principal uso se circunscribe al agua de mar, o cuando la corriente requerida es baja, pero constante y se desea un largo tiempo de servicio. El cinc puede utilizarse en aguas de altas temperaturas (30 – 60 °C), en las cuales las aleaciones de magnesio se corroen rápidamente. Sin embargo, no deben emplearse ánodos de cinc a temperaturas superiores a 60
en algunos tipos de aguas, a 70 °C aproximadamente, su polaridad cambia de negativa a positiva con respecto al acero, promoviendo el ataque del mismo en lugar de protegerlo. Tampoco se recomienda en los ambientes donde hay presencia de carbonatos o bicarbonatos.
Los ánodos de aleación de aluminio no se recomiendan para otro servicio que no sea agua de mar o aguas salobres, preferiblemente si la aleación está activada con indio. Las aleaciones de aluminio no se emplean en suelos por cuanto se recubren de una capa de óxido de aluminio que las inactiva, es decir, las pasiva; por el contrario, al ser sometidas a la acción de agua de mar, o de aguas con suficiente contenido de cloruros (mayor de 3.000 ppm), éstos rompen la capa pasiva activando nuevamente la aleación. Es por ello que el aluminio sólo puede ser empleado cuando el contenido de cloruros es suficientemente alto como para despasivar la superficie del ánodo y permitir el drenaje de corriente.
En instalaciones subterráneas, para asegurar su buen funcionamiento, los ánodos de magnesio y cinc se emplean con una mezcla de relleno preparado que los cubre completamente. Este relleno, por su baja resistividad (50 ohm–cm) y por la solubilidad de sus componentes, tiene un efecto de acondicionamiento sobre la resistividad del suelo adyacente, y como resultado se obtiene una resistividad más baja sobre varios metros alrededor del ánodo. Así mismo, el relleno aumenta la superficie efectiva del ánodo, reduciendo la resistencia entre el ánodo y el suelo.
La mezcla comúnmente utilizada como relleno para los ánodos de magnesio y cinc es la siguiente:
75% yeso hidratado (CaSO4.2H2O)
20% arcilla de bentonita 5% sulfato de sodio (Na2SO4)
Los ánodos galvánicos serán instalados en grupos en puntos distribuidos a lo largo de la tubería a fin de suministrar una protección total y para facilitar la inspección y el mantenimiento.
Los suelos con la mejor combinación de baja resistividad eléctrica, alta concentración química y máximo contenido de humedad, serán seleccionados para la ubicación del ánodo galvánico. La distancia hasta la estructura enterrada deberá estar entre 1,0 m y 6,0 m, dependiendo de la resistividad del medio.
En sistemas mixtos (ánodos galvánicos/corriente impresa), la ubicación de los ánodos dependerá del perfil de potenciales de la estructura.
La selección de los ánodos galvánicos estará restringida a los de magnesio o de cinc de alta pureza que se consigan en el mercado.
Los ánodos de cinc se utilizarán solo en medios electrolitos de baja resistencia y donde las bajas salidas de corriente y los bajos potenciales de solución resultantes sean tolerables.
El tamaño del ánodo, forma, peso, pureza y relleno dependerá de los requerimientos para cada instalación en particular, de acuerdo a los materiales especificados en esta norma.
8
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
8.1
General
Con este método, la estructura a proteger forma parte de un circuito eléctrico, con una fuente de corriente directa y un lecho de ánodos.
El lecho de ánodos puede estar formado por grafito, hierro/silicio/cromo, chatarra, titanio platinizado, magnetita, MMO (Oxidos de Metal Mezclado), etc., cuyo costo dependerá de la rata de consumo en el tiempo, factor determinante en el costo del proyecto.
Los sistemas de protección catódica por corriente impresa se utilizan cuando se requieren grandes cantidades de corriente para la protección de la estructura.
8.2
Fuentes de Corriente
Las fuentes de corriente externa utilizadas en los sistemas de protección catódica incluyen: rectificadores/transformadores AC/DC, motores generadores, generadores termoeléctricos, generadores de viento y generadores solares, de los cuales, los rectificadores/transformadores son los utilizados con mayor frecuencia.
En cuanto a los rectificadores se prefieren aquellas unidades estandarizadas que cumplan con las regulaciones eléctricas aplicables al área donde sean instalados. La selección del tipo se hará de acuerdo a lo siguiente:
a. Para requerimientos normales se usarán unidades monofásicas enfriadas con aire.
b. Las unidades sumergidas en aceite serán utilizadas en áreas donde se presenten condiciones de alto grado de humedad, ambiente marino, alta temperatura ambiental, vapores corrosivos dañinos, condiciones de polvo excesivo, vapores explosivos peligrosos o condiciones similares.
c. Las unidades trifásicas serán usadas siempre que se disponga de suministro eléctrico trifásico.
d. Unidades montadas en bases serán utilizadas en aquellos casos en que la apariencia y/o el peso son los factores determinantes. Las fundaciones para estas unidades las diseñará la sección de Ingeniería Civil.
e. Se utilizarán rectificadores de silicio de onda completa, los cuales serán protegidos con limitadores de sobretensión (varactor) y pararrayos diseñados específicamente para este uso.
Los rectificadores y/o demás fuentes de poder deberán instalarse en localizaciones accesibles, que faciliten su posterior mantenimiento. La ubicación estará determinada por los siguientes factores:
a. Cercanía a una fuente de energía eléctrica económica
b. Fuente de energía de corriente continua adyacente al lecho de ánodos c. Área no clasificada
d. Resguardo y ventilación adecuada e. Vías de acceso cercanas
f. Suelo de baja resistencia, bien humectado
La capacidad máxima de salida de la fuente de poder deberá ser 50% (tierra) y 20% (agua) mayor que la capacidad calculada en el diseño.
Los rectificadores de protección catódica deberán espaciarse a intervalos a lo largo de la tubería. La separación estará determinada por los siguientes factores: a. Capacidad del rectificador y el lecho de ánodos
b. Efecto de corrientes de interferencia (parásitas)
c. Potenciales permitidos en revestimientos (ver Tabla 1)
d. Cualidades dieléctricas y de aislamiento de los revestimientos de protección e. Costos
f. Condiciones del electrolito
Los rectificadores para protección catódica deberán cumplir con la especificación Técnica de Materiales PDVSA EM–28–07/05 “Transformador/rectificador de Protección Catódica”.
8.3
Material de los Ánodos
Para los sistemas de protección catódica por corriente impresa se usarán ánodos inertes (pasivos), tales como hierro–silicio–cromo, hierro fundido, grafito, titanio, MMO y otros metales recubiertos. Dichos ánodos estarán rodeados de carbón suave compactado o coque desmenuzado, cuando sea posible, a fin de aumentar el tamaño efectivo del ánodo. En la Tabla 8 se muestran las principales propiedades de los ánodos de corriente impresa.
TABLA 8. PROPIEDADES DE LOS ÁNODOS DE CORRIENTE IMPRESA
Ánodos de Corriente Impres Propiedad Fe–Si–Cr Grafito Niobio
platinizado Lida Chatarra de acero MMO Consumo aproximado (kg/A.año) Agua de mar 1.0 N 8.63x10–6 0.0005 9.1 Suelo 1.0 0.20 1x10–6 0.0071 9.1 1x10–6
Fondo del Lago 1.3 N 9.1
Densidad de corriente Máxima recomendada (mA/cm2) Agua de mar 0.5 N 40 60 L Agua dulce 0.5 N 40 11 L Suelo 1.0 0.15 0.15 10 0.5
Voltaje máximo permitido (voltios) Agua de mar N/L N 60 N/L L Agua dulce N/L N N/L N/L L Suelo N/L N/L N/L N/L L Factor de utilización Recomendado (F utilización) 0.85 0.85 0.90 0.90 0.75 N : No recomendado
L : Si está colgado en agua, no hay límite. N/L : Sin límite
FUENTE : Manual de Ingeniería de Diseño de Sistemas de Protección Catódica. Lagoven. Marzo, 1997.
Los ánodos de hierro–silicio–cromo son usados comúnmente para lechos superficiales, sin embargo también pueden ser utilizados para lechos profundos.
El relleno de coque utilizado para la construcción del lecho de ánodos deberá tener una resistividad no mayor de 25 ohm–cm a presión atmosférica, así mismo, deberá cumplir con la norma PDVSA EM–28–07/03 “Coque Metalúrgico para uso en Lechos de Ánodos para Sistemas de Protección Catódica por Corriente Impresa”. Por otro lado, debe poseer una granulometría de 90% finos menor de 1 mm, bajo contenido de S < 2 ppm en peso, para Fe–Si–Cr. Para el MMO, el coque debe ser de muy baja resistividad eléctica < 2 ohm–cm.
La colocación de los ánodos en el lecho será diseñada de forma tal que permita una descarga uniforme de corriente.
Los ánodos en los lechos superficiales normalmente se colocarán en posición vertical a menos que se presenten rocas o alguna otra obstrucción. En tal caso podrán ser instalados en posición horizontal de manera de aprovechar las condiciones del suelo.
Los ánodos de Titanio y MMO se instalarán de forma directa a la estructura de soporte o como lechos flotantes, para el caso de estructuras sumergidas. Para la ubicación del lecho de ánodos se deben tomar en cuenta los siguientes factores:
a. Facilidades de corriente: los lechos de ánodos estarán ubicados de tal
modo de utilizar al máximo la corriente de protección con un flujo mínimo de corriente de interferencia.
b. Accesibilidad: el diseño debe procurar minimizar los problemas de
obtención de derecho de paso a la vez que se suministre accesibilidad para la instalación, la inspección y el mantenimiento.
c. Suelo: se preferirá para la ubicación de los lechos de ánodos los suelos que
contengan la mejor combinación de baja resistividad eléctrica, alta concentración química y máximo contenido de humedad.
d. Potencial estructura–electrolito: el lecho de ánodos estará localizado de
forma que el potencial entre la superficie recubierta y el electrolito no exceda los valores reportados en la Tabla 9.
TABLA 9. POTENCIAL MÁXIMO ENTRE LA SUPERFICIE RECUBIERTA Y EL ELECTROLITO, MEDIDO RESPECTO AL ELECTRODO DE Cu/CuSO4
Condición Potencial Máximo (V
Suelo de alta resistencia, revestimiento de alta adherencia
3,0 Suelo de alta resistencia, revestimiento de baja
adherencia
2,5
Suelo de baja resistencia 2,0
La selección del tipo de lecho de ánodos a utilizar (horizontal, vertical, profundo), dependerá de ciertas variables, tales como: precipitación anual, condiciones del suelo, problemas de interferencia y costos del derecho de paso e inversión inicial. Los lechos de ánodos de corriente impresa remotos (sencillos o distribuidos) deberán utilizarse de acuerdo con los requerimientos mínimos de diseño y las consideraciones económicas a que haya lugar.
Las distancias recomendadas del lecho de ánodos de corriente impresa a la tubería será definida de acuerdo con lo indicado en la Tabla 10.
TABLA 10. DISTANCIA MÍNIMA DEL LECHO DE ÁNODOS A LA TUBERÍA
Capacidad de corriente del lecho
(A)
Distancia mínima de las estructuras enterradas
(m)
30 50
50–100 80
100–150 150
FUENTE: Manual de Ingeniería de Diseño de Sistemas de Protección Catódica de Tuberías Enterradas. Lagoven. Marzo, 1997. La separación entre ánodos de un lecho deberá ser como mínimo 7,5 m; mientras los lechos de ánodos de corriente impresa adyacentes deberán estar separados entre sí una distancia mínima de 50 m. Si la capacidad de salida de corriente de cualquiera de ellos es mayor que 50 A, la distancia mínima será de 80 m. La resistencia del lecho de ánodos puede ser disminuida aumentando el número de ánodos, longitud del ánodo, diámetro, profundidad o separación y disminuyendo la resistencia del suelo adyacente a los ánodos.
Puede incrementarse el alcance de la protección al aumentar la distancia entre el lecho y la estructura protegida, así como también, mejorando el revestimiento de la estructura enterrada o sumergida adyacente al lecho de ánodos.
La salida de corriente estable del lecho puede asegurarse tomando previsiones para el reabastecimiento futuro de agua, si fuera necesario mantener la humedad.
9
CÁLCULOS DE DISEÑO
9.1
Ánodos Galvánicos
La corriente de salida, drenada por el ánodo, así como la determinación del número de ánodos requeridos, su tasa de consumo y el tiempo de servicio son fundamentales a la hora de diseñar un sistema de protección catódica.
Para realizar los cálculos de diseño se requiere de ciertos datos técnicos, a saber: a. Área a proteger (m2, ft2)
b. Revestimiento aplicado, en caso de estructuras nuevas c. Resistividad del Medio (ohm–cm)
d. Temperatura promedio (°C)
e. Condición del revestimiento (% área desnuda o con daños). Ver Tabla 5. f. Vida útil de la estructura (activo)
g. Tipo de ánodo, dimensiones h. Eficiencia del ánodo (%)
i. Factor de utilización del ánodo (%) j. Densidad de corriente (mA/m2)
N+Prequerido Pcomercial donde:
N : Número de ánodos
Prequerido : Peso total de material anódico requerido (kg) Pcomercial : Peso del ánodo comercial (kg)
Prequerido+ 8.76 * Ap * i * n Eánodo* Ct* Futilización donde:
Prequerido : Peso total de material anódico requerido (kg) Ap : Área a proteger (m2)
i : Densidad de corriente (mA/m2)
n : Vida útil del sistema de protección catódica (número de años) Eánodo : Eficiencia del ánodo (%)
Ct : Capacidad teórica del ánodo (A.h/kg) Futilización : Factor de utilización (Futilización = 0.85)
El factor de utilización (Futilización) está determinado por la cantidad de material
anódico consumido (85%) cuando el material anódico remanente no puede proporcionar la corriente requerida. En otras palabras, cuando el ánodo se ha consumido el 85%, requerirá reemplazo pues no hay suficiente material anódico remanente para mantener un porcentaje razonable de su capacidad de corriente original.
Para verificar la máxima salida de corriente por ánodo, se debe calcular la resistencia eléctrica del ánodo en el medio.
9.1.1 Resistencia de un Ánodo Vertical en Suelo
Para ánodos cilíndricos, la resistencia puede ser calculada según: Rvert+0.1592ò
L
ǒ
2.3 log 8Ld *1
Ǔ
(Ec.deDwight)Fuente: Cathodic Protection Design 1. John Wagner. NACE, 1992. P. 5:21.
donde:
Rvert : Resistencia de un ánodo vertical (ohm)
ρ : Resistividad del medio (ohm–cm) L : Longitud del ánodo (cm)
d : Diámetro del ánodo (cm)
Para otras formas o configuraciones de ánodos, el radio efectivo puede calcularse a partir de la siguiente expresión:
r+
Ǹ
Atransversal ánodopFUENTE: Curso de Protección Catódica. Nivel Avanzado. A. Alvarez y J. Goldin. Junio 1984.
donde: Atransversal ánodo
: Área transversal del ánodo (cm2). Se calcula según la forma geométrica del ánodo en cuestión.
r : Radio efectivo del ánodo (cm)
Igualmente, puede utilizarse la ecuación de McCoy para calcular la resistencia de un ánodo no cilíndrico:
Ranodo no cilíndrico+ 0.315ò Aexpuesta ánodo
FUENTE: Corrosion 86 Forum. Paper Number 286. R. Mollan & T. Andersen. Houston, 1986. P. 8. Curso de Protección Catódica. Nivel Avanzado. A. Alvarez y J. Goldin. Junio 1984.
donde: Ranodo no cilíndrico
: Resistencia de un ánodo no cilíndrico (ohm)
ρ : Resistividad del medio (ohm*cm) A expuesta
ánodo
: Área de superficie expuesta del ánodo (cm2)
9.1.2 Resistencia de un Ánodo Horizontal en Suelo
Rhor +0.1592ò
L
ǒ
2.3 log 4Ld )2.3 log Lh*2) 2hL
Ǔ
(Ec.de Dwight)FUENTE: Cathodic Protection Design 1. John Wagner. NACE, 1992. P. 5:20.
donde:
Rhor : Resistencia de un ánodo horizontal (ohm) ρ : Resistividad del medio (ohm*cm)
L : Longitud del ánodo (cm) d : Diámetro del ánodo (cm)
h : Prof. medida desde la superficie hasta el centro del ánodo (cm) 9.1.3 Resistencia de un Ánodo Colgado en Agua
Rcolgado+0.1592ò
L
ǒ
2.3 log 8Ld *1
Ǔ
(Ec.de Dwight)FUENTE: Cathodic Protection Design 1. John Wagner. NACE, 1992. P. 5:21.
donde:
Rcolgado : Resistencia de un ánodo colgado en agua (ohm)
ρ : Resistividad del medio (ohm*cm) L : Longitud del ánodo (cm)
d : Diámetro del ánodo (cm)
9.1.4 Resistencia de un Ánodo tipo Brazalete en Agua
Rbrazalete+ 0.315ò Aexpuesta ánodo
FUENTE: Corrosion 86 Forum. Paper No. 286. R. Mollan & T. Andersen. Houston, 1986. P. 8.
donde:
Rbrazalete : Resistencia de un ánodo tipo brazalete (ohm)
ρ : Resistividad del agua (ohm*cm) A expuesta
ánodo
: Área de superficie expuesta del ánodo (cm2)
9.1.5 Factor de Espaciamiento (FN)
Cuando los ánodos se colocan muy próximos uno de otro, se ofrecen interferencia entre sí, siendo la resistencia del grupo de ánodos mayor que la de un solo ánodo.
Fn+1)p ò
SRánodoln (0.66N) donde:
Fn : Factor de espaciamiento (>1) ρ : Resistividad del medio (ohm*cm)
S : Distancia entre ánodos (cm) R ánodo : Resistencia de un ánodo (ohm)
N : Número de ánodos
Luego, la resistencia del grupo o lecho de ánodos se determina por: Rlecho de ánodo+Fn Ránodo N donde: R lecho de anodos
: Resistencia de un lecho de ánodos (ohm) Fn : Factor de espaciamiento ( > 1 )
R anodo : Resistencia de un ánodo (ohm)
N : Número de ánodos
A la resistencia total del sistema, debe agregarse la del cable empleado en las conexiones de los ánodos.
La salida de corriente por ánodo es función del voltaje y la resistencia ánodo/suelo. Se determina por la Ley de Ohm:
lánodo + DV Ránodo +
Eánodo*Ecátodo polarizado Ránodo
FUENTE: Cathodic Protection Design 1. John Wagner. NACE, 1992. P. 6:33.
donde:
l ánodo : Corriente de salida del ánodo (A R ánodo : Resistencia de un ánodo (ohm)
nV : Diferencia esperada de potencial ánodo–estructura (V) E ánodo : Potencial del ánodo (V)
E cátodo polarizado
: Potencial del cátodo polarizado (V). (–0.85 V para el acero, o un valor más negativo)
El voltaje es la diferencia entre el potencial del ánodo, o fuerza electromotriz, y el potencial del cátodo. A medida que pasa la corriente desde el ánodo al cátodo, ocurre un cambio de potencial en ambos (polarización), y su diferencia de potencial se hace cada vez más pequeña hasta que se alcanza un valor de equilibrio, donde la cantidad de corriente que fluye es exactamente la requerida para mantener una diferencia de potencial constante (corriente de polarización). El valor utilizado para lanodo debe derivarse de la Ley de Ohm. Un error común
consiste en utilizar los requerimientos de densidad de corriente mínima, suministrados por los estándares o códigos existentes, y dividir su valor por el número de ánodos para estimar la corriente individual del ánodo. Se debe recordar que las densidades de corriente dadas en los estándares son mínimas, y en la generalidad de los casos, al diseñar ánodos galvánicos por esta técnica, éstos producen más corriente bajo la mayoría de las condiciones operacionales. Durante el diseño, el especialista utilizará factores de seguridad que le permitan garantizar que el sistema cumplirá con el objetivo planteado.
Si lanodo no es suficiente para producir el potencial de polarización deseado (potencial a circuito cerrado entre el cátodo y el electrodo de referencia), entonces se deberá aumentar el número de ánodos.
9.1.6 Vida Útil del Ánodo
Y+M * Cpráctica* Futilización 8760 * lánodo
FUENTE: Cathodic Protection Design 1. John Wagner. NACE, 1992. P. 6:33.
donde:
Y : Vida útil o tiempo de servicio estimado del ánodo (años) M : Peso del ánodo (kg)
