Diseño del sistema de protección catódica por corriente impresa en líneas de pipetrack en la Refinería de La Libertad (RLL) contra la corrosión

(1)

(2)

II

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE TECNOLOGÍA DE PETRÓLEOS

TEMA: "DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA EN LÍNEAS DE PIPETRACK EN LA REFINERÍA DE

LA LIBERTAD (RLL) CONTRA LA CORROSIÓN"

TESIS DE GRADO PREVIA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE TECNÓLOGO DE PETRÓLEOS

AUTOR: EDGAR PATRICIO MIÑO YÉPEZ

DIRECTOR: ING. FAUSTO RAMOS AGUIRRE M.Sc.

QUITO-ECUADOR

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III

DECLARACIÓN

Del contenido del presente trabajo se responsabiliza única y exclusivamente el autor.

Edgar P. Miño Y. C.C. 172064792-2

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IV

CERTIFICACIÓN DEL DIRECTOR DE TESIS

Quito, 10 de Junio del 2011

Señor Ingeniero

Jorge Viteri M.Sc. - MBA

Decano de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería

Universidad Tecnológica Equinoccial Presente

De mi consideración:

Por medio de la presente me permito informar que la tesis titulada "DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA EN LÍNEAS DE PIPETRACK EN LA REFINERÍA DE LA LIBERTAD (RLL) CONTRA LA CORROSIÓN ", desarrollada por el Sr. Edgar Patricio Miño Yépez, previa a la obtención del título de Tecnólogo de Petróleos, ha sido concluida bajo mi dirección y tutoría, por lo tanto muy comedidamente solicito a su autoridad el trámite subsiguiente.

Por la atención a la presente, anticipo mi agradecimiento.

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V

(6)

VI

AGRADECIMIENTO

Agradezco primeramente a Dios por ser mi guía en todo momento, porque me ha bendecido con un hogar lleno de amor y me ha dado la fuerza para levantarme a cumplir mis metas de vida todos los días.

A mi madre, mis hermanos, mi novia, mis sobrinos por inspirarme a través de sus ojos, por dejarme creer que el mañana será mejor.

A mi padre, mi familia y amigos por creer en mi y apoyarme cuando más lo necesité.

A la Universidad Tecnológica Equinoccial y al Ing. Jorge Viteri Moya por poner a nuestra disposición un equipo excelente de profesionales para nuestra formación.

Un agradecimiento especial al Ing. Fausto Ramos, quien ha puesto todo su conocimiento a disposición del cumplimiento de ésta investigación.

(7)

VII

DEDICATORIA

Este trabajo está dedicado a mi madre LUCÍA YÉPEZ G. por ser la persona más importante de mi vida, la que siempre me ha dado todo su amor, porque ha sido mi ejemplo a seguir y sobre todo porque siempre estuvo ahí.

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VIII

ÍNDICE CONTENIDOS

DECLARACIÓN ---III

CERTIFICACIÓN DEL DIRECTOR DE TESIS --- IV

CARTA DE LA EMPRESA --- V

AGRADECIMIENTO --- VI

DEDICATORIA --- VII

ÍNDICE CONTENIDOS --- VIII

ÍNDICE GENERAL--- IX

ÍNDICE DE ECUACIONES --- XV

ÍNDICE DE REACCIONES --- XV

ÍNDICE DE FIGURAS --- XVIII

ÍNDICE DE TABLAS --- XXII

ÍNDICE DE ANEXOS --- XXIV

RESUMEN --- XXV

(9)

IX

ÍNDICE GENERAL

CAPÍTULO I --- 1

1. INTRODUCCIÓN --- 1

1.1 FORMULACIÓNDELPROBLEMA --- 2

1.2 JUSTIFICACIÓN --- 3

1.3 OBJETIVOS --- 4

1.3.1 OBJETIVO GENERAL --- 4

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS --- 4

1.4 METODOLOGÍA --- 5

1.4.1 MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN --- 5

1.4.2 TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN --- 5

1.5 HIPÓTESIS --- 6

1.5.1 HIPÓTESIS GENERAL --- 6

1.5.2 HIPÓTESIS ESPECÍFICAS --- 6

1.6 VARIABLES --- 6

1.6.1 VARIABLE DEPENDIENTE --- 6

1.6.2 VARIABLE INDEPENDIENTE --- 7

1.6.3 VARIABLE INTERVINIENTE --- 7

CAPÍTULO II --- 8

(10)

X

2.1FUNDAMENTOSBÁSICOSDELACORROSIÓN --- 8

2.1.1 HISTORIA DE LA PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN --- 8

2.1.2 INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA CORROSIÓN ---10

2.1.3 ASPECTOS GENERALES DE LA CORROSIÓN ---12

2.1.4 FORMAS, CAUSAS, VARIABLES Y TIPOS DE CORROSIÓN ---13

2.1.4.1 FORMAS DE CORROSIÓN ---13

2.1.4.2 CAUSAS DE CORROSIÓN---14

2.1.4.2.1 CELDA DE CORROSIÓN DIFERENCIAL ---14

2.1.4.2.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL AGUA ---18

2.1.4.2.3 CONCENTRACIÓN DE GASES DISUELTOS EN FLUIDO --20

2.1.4.2.3.1 OXÍGENO DISUELTO ---21

2.1.4.2.3.2 DIÓXIDO DE CARBONO DISUELTO ---23

2.1.4.2.3.3 ÁCIDO SULFHÍDRICO DISUELTO ---28

2.1.4.2.4 METALURGIA DEL ACERO ---30

2.1.4.3 VARIABLES FÍSICAS ---30

2.1.4.3.1 TEMPERATURA ---31

2.1.4.3.2 PRESIÓN ---31

2.1.4.3.3 VELOCIDAD ---31

2.1.4.3.4 ESFUERZOS DE TENSIÓN ---32

2.1.4.4 TIPOS DE CORROSIÓN ---33

(11)

XI

2.1.4.4.1.1 CELDAS DE CONCENTRACIÓN ---35

2.1.4.4.1.2 CORROSIÓN POR UNIÓN BI-METÁLICA Ó CORROSIÓN GALVÁNICA ---36

2.1.4.4.1.3 CORROSIÓN - EROSIÓN ---38

2.1.4.4.1.4 CORROSIÓN - CAVITACIÓN ---39

2.1.4.4.1.5 CORROSIÓN INTERGRANULAR ---40

2.1.4.4.1.6 FALLAS CAUSADAS POR HIDRÓGENO ---40

2.1.4.4.1.7 CORROSIÓN CAUSADA POR FATIGA ---43

2.1.4.4.2 CORROSIÓN UNIFORME ---45

CAPÍTULO III ---47

3. PRINCIPIOS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA ---47

3.1COMPONENTESDELSISTEMADEPROTECCIÓNCATÓDICAPOR CORRIENTEIMPRESA ---53

3.1.1 FUENTES DE CORRIENTE ---54

3.1.1.1 RECTIFICADORES ---54

3.1.1.2 VOLTÍMETRO ---55

3.1.1.3 DÍNAMO CON MOTOR TÉRMICO ---56

3.1.2 ÁNODOS AUXILIARES ---56

(12)

XII

3.1.2.2 FERROSILICIO ---57

3.1.2.3 GRAFITO ---57

3.1.2.4 TITANIO PLATINADO ---58

3.1.2.5 TÁNTALO PLATINADO ---59

3.1.2.6 PLOMO - PLATA ---59

3.1.2.7 TITANIO-ÓXIDO DE TITANIO Y ÓXIDO DE RUTENIO ---60

3.1.3 PROPIEDADES DE LOS ÁNODOS AUXILIARES ---61

3.1.4 CÁLCULO DE LA PROTECCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LOS ÁNODOS ---64

3.1.5 - BACKFILL O ACTIVADOR ---68

3.1.6 - RESISTIVIDAD DEL SUELO ---70

3.1.6.1 - DETERMINACIÓN DE RESISTIVIDAD POR EL MÉTODO DE LOS CUATRO ELECTRODOS ---71

3.2VENTAJASYLIMITACIONESDELMÉTODODEPROTECCIÓN CATÓDICACONCORRIENTEIMPRESA ---75

3.2.1 VENTAJAS DEL MÉTODO DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON CORRIENTE IMPRESA ---75

3.2.2 LIMITACIONES DEL MÉTODO DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON CORRIENTE IMPRESA ---75

(13)

XIII

3.3.1 CRITERIO PARA LA ELECCIÓN DEL POTENCIAL DE

PROTECCIÓN ---76

3.3.1.1 CRITERIO BASADO EN CONSIDERACIONES TERMODINÁMICAS ---76

3.3.1.2 OTROS CRITERIOS ---80

3.3.1.3 ALGUNOS CRITERIOS UTILIZADOS EN LA PRÁCTICA ---82

3.4MEDIDADELPOTENCIAL ---84

3.4.1 MEDIDA DEL POTENCIAL EN ESTRUCTURAS ENTERRADAS ---87

3.5MATERIALUTILIZADO ---91

3.5.1 ELECTRODOS DE REFERENCIA ---91

3.5.1.1 TIPOS DE ELECTRODOS DE REFERENCIA UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA ---98

3.5.1.1.1 ELECTRODO DE CALOMELANOS ---98

3.5.1.1.2 ELECTRODO DE PLATA/CLORURO DE PLATA ---99

3.5.1.1.3 ELECTRODO DE ZINC --- 101

3.5.1.1.4 ELECTRODO DE COBRE/SULFATO DE COBRE --- 103

3.6DENSIDADDECORRIENTEDEPROTECCIÓN --- 106

3.6.1 VALORES PRÁCTICOS DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN --- 108

(14)

XIV

CAPÍTULO IV --- 115

4. INSTALACIÓN DEL LECHO ANÓDICO PARA LA PROTECCIÓN DE PIPETRACK EN RLL --- 115

4.1SELECCIÓNDELTIPODEPROTECCIÓN --- 116

4.2CÁLCULOSDELSISTEMADEPROTECCIÓNCATÓDICAPOR CORRIENTEIMPRESA --- 117

CAPÍTULO V --- 128

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES --- 128

5.1CONCLUSIONES --- 128

5.2RECOMENDACIONES --- 129

GLOSARIO DE TÉRMINOS --- 130

BIBLIOGRAFÍA --- 132

(15)

XV

ÍNDICE DE ECUACIONES

ECUACIÓN 2.1 – PRESIÓN PARCIAL ---27

ECUACIÓN 3.1 CÁLCULO DE LA RESISTIVIDAD ---73

ECUACIÓN 3.2 ECUACIÓN DE NERNST ---77

ECUACIÓN 3.3 – POTENCIAL EN FUNCIÓN DEL pH ---92

ECUACIÓN 3.4 – POTENCIAL DE LA PILA PROPUESTA ---94

ECUACIÓN 3.5 – DENSIDAD DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN DE UNA ESTRUCTURA PROTEGIDA --- 111

ECUACIÓN 4.1 – ÁREA DE TUBERÍA A PROTEGER --- 118

ECUACIÓN 4.2 - CÁLCULO DE LA CORRIENTE NECESARIA O REQUERIDA PARA EL SISTEMA --- 120

ECUACIÓN 4.3- CÁLCULO DE LA MASA ANÓDICA REQUERIDA --- 121

ECUACIÓN 4.4 - CÁLCULO DEL NÚMERO DE ÁNODOS REQUERIDOS -- 122

ECUACIÓN 4.5 - RESISTENCIA DE UN ÁNODO CON RELLENO --- 122

ECUACIÓN 4.6 - VOLTAJE DE SALIDA DEL RECTIFICADOR --- 123

ECUACIÓN 4.7 – SUMATORIA DE RESISTENCIAS --- 124

(16)

XVI

ÍNDICE DE REACCIONES

REACCIÓN 2.1 – OXIDACIÓN ---11

REACCIÓN 2.2 – REDUCCIÓN DE OXÍGENO ---11

REACCIÓN 2.3 –REDUCCIÓN DE AGUA ---11

REACCIÓN 2.4 – CATÓDICA ---16

REACCIÓN 2.5 – CATÓDICA EN AGUAS ÁCIDAS ---16

REACCIÓN 2.6 – CATÓDICA EN AGUAS ALCALINAS ---17

REACCIÓN 2.7 – DIÓXIDO DE CARBONO DISUELTO EN AGUA PARA FORMAR ÁCIDO CARBÓNICO ---24

REACCIÓN 2.8 – ÁCIDO CARBÓNICO CON EL HIERRO ---24

REACCIÓN 2.9 – SULFURO DE HIERRO PRODUCTO DE LA CORROSIÓN POR H2S ---28

REACCIÓN 3.1 – DISOLUCIÓN DEL HIERRO (ACERO) ---78

REACCIÓN 3.2 – METAL EN CONTACTO CON EL ELECTROLITO, TENDENCIA A DISOLVERSE ---91

REACCIÓN 3.3 – IONES DEL ELECTROLITO SOBRE EL METAL ---91

(17)

XVII

REACCIÓN 3.5 – OXIDACIÓN DE LA REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA 93

REACCIÓN 3.6 – TRANSFERENCIA DE ELECTRONES ENTRE ELECTRODOS

---94

REACCIÓN 3.7 - ELECTRODO DE CALOMELANOS ---98

REACCIÓN 3.8 - ELECTRODO DE PLATA / CLORURO DE PLATA --- 100

REACCIÓN 3.9 - ELECTRODO DE ZINC--- 101

(18)

XVIII

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 2.1 – MEDALLA DE ORO CON LA FOTOGRAFÍA DE ROBERT J. KUHN ESTABLECIDA POR EL COMITÉ TÉCNICO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA --- 9

FIGURA 2.2 – ESQUEMA MOSTRANDO UNA CELDA DE CORROSIÓN

DIFERENCIAL ---15

FIGURA 2.3 – CORROSIÓN DEL ACERO ---17

FIGURA 2.4 – CORROSIVIDAD COMPARATIVA DE 3 GASES COMUNES EN SOLUCIONES DE AGUA ---19

FIGURA 2.5 – EFECTO DEL OXÍGENO ---22

FIGURA 2.6 – CORROSIÓN POR O2, CORROSIÓN POR CO2 ACELERADA

POR O2 ---23

FIGURA 2.7 – CORROSIÓN POR CO2 ---25

FIGURA 2.8 – GUÍA GENERAL DE PREDICCIÓN DE CORROSIÓN POR CO2

---26

FIGURA 2.9 – EFECTO DE LA PRESIÓN PARCIAL DEL CO2 SOBRE EL pH -27

FIGURA 2.10 – CORROSIÓN POR H2S ---29

(19)

XIX

FIGURA 2.12 – CORROSIÓN - CAVITACIÓN ---39

FIGURA 2.13 – CORROSIÓN UNIFORME ---45

FIGURA. 3.1 - DIAGRAMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA ---48

FIGURA 3.2 - DIAGRAMA DE ESTABILIDAD TERMODINÁMICA O DIAGRAMA POTENCIAL - pH, MÁS CONOCIDO COMO DIAGRAMA DE POURBAIX PARA EL HIERRO---49

FIGURA 3.3 (A, B, C) - DIAGRAMA DE EVANS ---50

FIGURA 3.4 - SISTEMA BAJO CONTROL: (A) ANÓDICO, (B) CATÓDICO ---51

FIGURA 3.5 - ESQUEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON CORRIENTE IMPRESA DE UNA TUBERÍA ENTERRADA. ---53

FIGURA 3.6 - ESQUEMA DE UN TRANSFORRECTIFICADOR MONOFÁSICO ---55

FIGURA 3.7 - EJEMPLO DE INTERFERENCIA PROVOCADA POR UNA TUBERÍA EXTRAÑA SITUADA EN LA PROXIMIDAD DE UNA TUBERÍA PROTEGIDA CATÓDICAMENTE ---66

FIGURA 3.8 - SENTIDO DE LA CORRIENTE DE UN SISTEMA DE

(20)

XX

FIGURA 3.9 - 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. ---71

FIGURA 3.10 - DISPOSICIÓN CORRECTA DE LOS CUATRO ELECTRODOS PARA LA MEDIDA DE LA RESISTIVIDAD EN PRESENCIA DE UNA

TUBERÍA ENTERRADA ---73

FIGURA 3.11 - DENSIDAD DE LA CORRIENTE DE PROTECCIÓN CON

DIFERENTES POTENCIALES ---82

FIGURA 3.12 - EQUIVALENCIA APROXIMADA ENTRE LAS ESCALAS DE POTENCIAL RELATIVAS A LOS ELECTRODOS DE REFERENCIA

UTILIZADOS EN PROTECCIÓN CATÓDICA. ---85

FIGURA 3.13 - REALIZACIÓN PRÁCTICA DE MEDIDA DE POTENCIAL DE UNA TUBERÍA CON UN ELECTRODO DE REFERENCIA DE Cu/CuSO4

SATURADO ---88

(21)

XXI

FIGURA 3.15 - (A) LA MEDIDA DE POTENCIAL NO SE VE AFECTADA POR EL CAMPO ELÉCTRICO. (B) LA MEDIDA DE POTENCIAL SE VE

AFECTADA POR EL CAMPO ELÉCTRICO ---90

FIGURA 3 .16 - ELECTRODO DE REFERENCIA CALOMELANOS

SATURADO, ECS ---99

FIGURA 3.17 – ELECTRODO DE REFERENCIA DE PLATA / CLORURO DE PLATA, (Ag/AgCl) --- 100

FIGURA 3.18 – ELECTRODO DE REFERENCIA DE ZINC (ZN)--- 102

FIGURA 3.19 - ELECTRODO DE REFERENCIA DE COBRE/ SULFATO DE COBRE (Cu/CuSO4) --- 104

FIGURA 3.20 - MÉTODO EXPERIMENTAL DEL TRAZADO DE UNA CURVA DE POLARIZACIÓN UTILIZABLE PARA EL CÁLCULO DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN (DP). --- 107

FIGURA 4.1 – LÍNEAS DE PIPETRACK DE LA REFINERÍA DE LA LIBERTAD RLL --- 115

FIGURA 4.2 - SITIO SUGERIDO DE APLICACIÓN DE ÁNODOS --- 126

FIGURA 4.3 – SISTEMA DE CORRIENTE IMPRESA CON UNA CAMA

(22)

XXII

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 2.1 – CORROSIÓN GALVÁNICA ENTRE METALES ---37

TABLA 3.1 - CARACTERÍSTICAS DE LOS ÁNODOS EMPLEADOS EN PROTECCIÓN CATÓDICA CON CORRIENTE IMPRESA CLASIFICADOS SEGÚN SU CONSUMO Y EL MEDIO A UTILIZARSE ---63

TABLA 3.2 - DENSIDAD DE CORRIENTE NECESARIA (EN MA/KM), PARA LA PROTECCIÓN DE UNA TUBERÍA ENTERRADA EN FUNCIÓN DE LA RESISTENCIA DEL REVESTIMIENTO Y DEL DIÁMETRO DEL CONDUCTO ---68

TABLA 3.3 – VALORES DE RESISTIVIDAD Y CARACTERIZACIÓN DE ACUERDO AL MEDIO AL QUE SE EXPONE ---74

TABLA 3.4 - POTENCIAL DE PROTECCIÓN EXPRESADOS EN VOLTIOS A DIFERENTES pH DE ALGUNOS METALES, OBTENIDO A PARTIR DE LOS CORRESPONDIENTES DIAGRAMAS DE POTENCIAL -pH A 25°C ---80

TABLA 3.5 - POTENCIAL DE PROTECCIÓN ADOPTADO GENERALMENTE EN SUELO Y AGUA DE MAR ---83

TABLA 3.6 SERIE ELECTROQUÍMICA DE LOS METALES ---97

(23)

XXIII

TABLA 3.8 - DENSIDAD DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN EN DISTINTOS MEDIOS AGRESIVOS --- 108

TABLA 3.9 - VALOR LÍMITE DEL POTENCIAL APLICADO PARA DIVERSOS TIPOS DE PINTURA. --- 110

TABLA 3.10 - ESPESORES MÍNIMOS PARA DIVERSOS ESQUEMAS DE PINTADO RESISTENTES A UN POTENCIAL DE -900 mV VS. Ag/AgCl --- 114

TABLA 4.1 – DATOS DE LÍNEAS DE PIPETRACK --- 117

TABLA 4.2 – DATOS DE ÁNODOS (FERROSILICIO) --- 118

(24)

XXIV

ÍNDICE DE ANEXOS

ANEXO 1 – CONSTRUCCIÓN DE UNA INSTALACIÓN DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA --- 134

ANEXO 2 – DIAGRAMA TÍPICO DEL POTENCIAL CONSTANTE DEL

RECTIFICADOR --- 135

ANEXO 3 – ESQUEMA DE INTERFERENCIA ANÓDICA --- 136

ANEXO 4 – ESQUEMA DE INTERFERENCIA CATÓDICA --- 136

ANEXO 5 – ESQUEMA DE INTERFERENCIA ANÓDICA Y CATÓDICA ---- 137

ANEXO 6 – PRINCIPIO DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA MINIMIZAR LA INTERFERENCIA ANÓDICA --- 137

ANEXO 7 – USO DE ÁNODOS DE SACRIFICIO PARA MITIGAR LA

INTERFERENCIA CATÓDICA --- 138

(25)

XXV

RESUMEN

Este trabajo se ha desarrollado para adquirir el conocimiento científico, que permita diseñar un sistema de protección catódica por corriente impresa en líneas de pipetrack en la Refinería de La Libertad RLL para controlar efectivamente el avance de la corrosión.

El primer capítulo trata el planteamiento de objetivos tanto generales como específicos, la justificación de la investigación, hipótesis, variables que se consideraron, así como de los métodos y técnicas que se aplicaron para el desarrollo de ésta investigación.

El segundo capítulo explica que es la corrosión sus formas, causas, variables, tipos y demás consideraciones que intervienen en la degradación de un material a través de la interacción con el medio ambiente.

El tercer capítulo incluye los principios de diseño considerados para la instalación de un sistema de protección catódica por corriente impresa.

El cuarto capítulo propone la instalación del lecho anódico para la protección de las líneas de pipetrack central de la Refinería de La Libertad RLL las que llevan los productos desde tanquería de destilados hasta cabeza del muelle.

(26)

XXVI

SUMMARY

This work was developed to get scientific knowledge, that allow to design a impressed current cathodic protection system in pipetrack lines in the Refinery La Libertad RLL to control the progress of corrosion.

The first chapter covers the plan general and specific objectives, the justification of research, hypothesis, considered variables, methods and techniques applied to develop this research.

The second chapter explains that the corrosion its forms, causes, variables, types, and other considerations involved in the degradation of a material through interaction with the environment.

The third chapter includes the design principles considered for the installation of impressed current cathodic protection system.

The fourth chapter proposes the installation of the anode bed to protect the lines of central pipetrack in the Refinery La Libertad RLL that carry products from distillate tanks until spring.

(27)

(28)

1

CAPÍTULO I

1. INTRODUCCIÓN

La Refinería está situada en la provincia de Santa Elena, cantón La Libertad. En el mes de noviembre de 1989, se revertieron al Estado Ecuatoriano las instalaciones de la Refinería Anglo Ecuadorian Oil Fields Ltda. y en el año 1990 la refinería Repetrol (ex Gulf), al concluir los contratos de operación con éstas compañías.

Está diseñada para procesar 45000 BPD del Oriente ecuatoriano y produce los siguientes derivados: GLP, gasolina, diesel No. 1, diesel No. 2, jet fuel, JP1, Fuel O il No. 6, solvente No. 1, solvente No. 2 (rubber solvent), spray oil y mineral turpentine. Tiene 60 años de operación en la península de Santa Elena es el centro refinador más antiguo del Ecuador, y ahora el segundo por su capacidad de producción. Las líneas de pipetrack están deterioradas lo cual puede provocar un derrame de los productos que por ahí circulan, trayendo consecuencias lamentables debido al estado y tamaño de las líneas.

La diferencia de potencial entre los materiales de las líneas y la existencia de un electrolito en contacto con ellos hace que uno de los materiales actúe de ánodo, sufriendo la ionización o deterioro.

El deterioro que se produce en un metal es proporcional al flujo de electrones que recibe y éste a su vez depende del potencial, de la resistencia del mismo y de la naturaleza química del ánodo y del cátodo, siendo el primero atacado o disuelto, mientras que el segundo no queda afectado.

(29)

2

de ponerlas en operación ya que todos los metales o aleaciones son susceptibles a sufrir corrosión los resultados eventuales, provocarán la ruptura del pipetrack. La interacción del metal con el medio que lo rodea ocasiona el deterioro del mismo en sus propiedades físicas y químicas.

La característica fundamental de este fenómeno, es que sólo ocurre en presencia de un electrolito, ocasionando corrosión en regiones plenamente identificadas, llamadas estas anódicas y catódicas: una reacción de oxidación es una reacción anódica, en la cual los electrones son liberados dirigiéndose a otras regiones catódicas. En la región anódica se producirá la disolución del metal (corrosión) y, consecuentemente en la región catódica la inmunidad del metal.

Se puede presentar una reducción o la eliminación de la corrosión de un metal, haciendo que, la superficie de éste, funcione completamente como cátodo cuando se encuentra sumergido o enterrado en un electrolito, presentando un análisis técnico sustentado para justificar la necesidad de proceder a una instalación de protección catódica por corriente impresa con la finalidad de recuperar la eficiencia y confiabilidad del pipetrack.

1.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

En la Refinería La Libertad existe un pipetrack que es un conjunto de tuberías metálicas que conducen los destilados producidos diariamente desde la tanquería de almacenamiento hasta los sistemas de transporte y/o distribución instalados en tierra como en el mar.

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3

protección catódica con corriente impresa para incrementar su vida útil y disminuir la probabilidad de derrames por corrosión de éste sistema de tuberías.

1.2 JUSTIFICACIÓN

La corrosión está presente en todo equipo metálico que utiliza la industria petrolera, por lo cual es un problema al que debemos controlar y minimizarlo por sus consecuencias económicas, de seguridad industrial y de impactos ambientales.

La corrosión analizada desde un punto de vista termodinámico electroquímico, indica que el metal tiende a retornar a su estado original que es el de óxido, con mínima energía. Éste es un proceso irreversible que tiene que ser controlado y no puede ser eliminado.

Un equipo metálico con adecuada protección anticorrosiva por diferentes medios en la industria petrolera tiene una vida útil promedio de hasta 25 años.

Sin ninguna protección anticorrosiva su vida útil puede ser de 6 meses, provocando pérdidas económicas e impactos ambientales.

(31)

4

1

Para evidenciar el alto impacto de la corrosión en la industria se indica que desde 1999 al 2001, Estados Unidos tuvo un total anual de pérdidas por corrosión de aproximadamente 276 mil millones de dólares, el mismo que representa aproximadamente el 3.1% del PIB de ese país.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVO GENERAL

Obtener el conocimiento científico que permita controlar efectivamente la velocidad de corrosión en tuberías metálicas que transportan hidrocarburos en la Refinería La Libertad (RLL), especialmente en el pipetrack.

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Determinar los factores que influyen en la corrosión de la línea de pipetrack de destilados en RLL para diseñar un sistema efectivo que controle la misma.

 Diseñar el sistema de protección catódica por corriente impresa para la línea de pipetrack de destilados en RLL.

1

(32)

5

 Prevenir la ruptura de líneas de pipetrack provocadas por corrosión lo que impedirá posibles derrames de destilados.

1.4 METODOLOGÍA

1.4.1 MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN

 Método Sintético.- Consiste en integrar los factores que incurren en la corrosión y mediante su estudio nos ayudarán a diseñar un sistema de protección catódica por corriente impresa adecuado para las líneas de pipetrack de la Refinería de La Libertad.

 Método Descriptivo.- Identificar las características de la zona que generan corrosión y mediante su correcta interpretación aplicar las protecciones.

1.4.2 TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN

(33)

6 1.5 HIPÓTESIS

1.5.1 HIPÓTESIS GENERAL

Si se protege adecuadamente la línea del pipetrack de destilados de RLL se incrementará la vida útil del sistema y disminuirá impactos ambientales y económicos. El actual sistema de protección con pinturas y aislamiento del suelo no garantiza ésta protección.

1.5.2 HIPÓTESIS ESPECÍFICAS

 Si se realiza una adecuada investigación de los parámetros de influencia corrosiva en la zona donde están las líneas de pipetrack se podrá controlar la corrosión.

 Si se conocen las diferentes formas en las que puede presentarse la corrosión en un metal o aleaciones podrán tomarse medidas preventivas contra la misma.

1.6 VARIABLES

1.6.1 VARIABLE DEPENDIENTE

(34)

7 1.6.2 VARIABLE INDEPENDIENTE

Análisis del tipo de protección en las líneas de pipetrack (protección catódica por corriente impresa).

1.6.3 VARIABLE INTERVINIENTE

(35)

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8

CAPÍTULO II

2. MARCO TEÓRICO

2.1 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LA CORROSIÓN

2.1.1 HISTORIA DE LA PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN

Las obras de Platón (427-347 A.C) contienen el primer escrito q describe a la corrosión. Platón definió la oxidación como el componente terrenal de la separación del metal. Georgius Agricola celebró con este dictamen, unos 2000 años más tarde en su obra mayor mineralógica De Natura Fossilium: "Óxido de hierro (lat. ferrugo o rubigo) es, por así decirlo, una secreción de una plancha metálica. El hierro puede ser protegido contra este defecto por varios envoltorios, tales como el plomo rojo, plomo blanco, yeso, bitumen o alquitrán". Gaius Secundus Pliny también mencionó el bitumen, brea, plomo blanco, y el yeso como la protección del hierro y de bronce contra la corrosión.

(37)

9

La protección catódica de la tubería no se desarrolló en Alemania pero se aplicó ahí en 1928 y se mejoró en Estados Unidos. En la Figura 2.1 se muestra una medalla con la cabeza de Robert J. Kuhn, llamado “El Padre de la Protección Catódica” en América. Él instaló el primer Rectificador de protección catódica en 1928 en una tubería de gas de larga distancia en Nueva Orleans.

Figura 2.1 – Medalla de oro con la fotografía de Robert J. Kuhn establecida por el Comité Técnico de la Protección Catódica

Fuente: Handbook of Cathodic Corrosion Protection. Theory and practice of electrochemical protection processes (Third Edition) W. Von Baeckmann, W. Schwenk and W. Prinz

Elaborado por: Edgar Miño

El American Petroleum Institute (API) en Los Ángeles declaró en 1935 que las corrientes de protección galvánica de ánodos de zinc ya no podía proteger a las tuberías en las distancias cada vez mayores que se utilizaban y que la protección contra ataques químicos, tales como los ácidos, era definitivamente imposible.

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tales tuberías resultó relativamente costosa y requiere una considerable protección por corriente. Por ello no es sorprendente que incluso en 1930 sólo a cerca de 300 km de tubería en América estaban protegidos por los ánodos de zinc y 120 km por corriente impresa. Entre ellas se encontraban las tuberías en Houston, Texas, y Memphis, Tennessee, las cuales habían sido protegidas catódicamente por Kuhn desde 1931 hasta 1934.

A principios de 1954, I. Denison fue galardonado con el Premio Whitney por la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión (NACE). Denison explicó: "En la primera conferencia de protección corrosiva en 1929 Kuhn describe cómo el potencial de una tubería que estaba deprimido a -0.85 V en contra del cobre saturado / sulfato de cobre del electrodo con un rectificador de corriente continua. No hace falta recordar que este valor es el criterio aceptado potencial para la protección catódica utilizado en todo el mundo hoy en día".

2.1.2 INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA CORROSIÓN

Una definición general de la corrosión es la degradación de un material a través de la interacción del medio ambiente. Esta definición engloba todos los materiales, tanto de origen natural y los realizados por el hombre incluye plásticos, cerámicas y metales.

(39)

11

La corrosión de materiales es más común en temperaturas cercanas al ambiente se produce en solución acuosa y están en la naturaleza electroquímica. El medio acuoso es también referido como el electrolito y, en el caso de los subterráneos la corrosión, es la tierra húmeda.

El proceso de corrosión implica el retiro de los electrones (Oxidación) del metal Reacción 2.1 y el consumo de estos electrones por alguna reacción de reducción, tales como la reducción de oxígeno o el agua Reacción 2.2 y Reacción 2.3 respectivamente.

Reacción 2.1 – Oxidación

Fe Fe

++

+ 2e

-Fuente: Peabody´s Control of Pipeline Corrosion (Second Edition). A.W. Peabody, 2001 by NACE.

Reacción 2.2 – Reducción de oxígeno

O

2

+ 2H

2

O + 4e

4OH

Reacción 2.3 –Reducción de agua

2H

2

O + 2e

-

H

2

+ 2OH

(40)

12

La reacción de oxidación que comúnmente se llama la reacción anódica y la reacción de reducción es llamada reacción catódica. Ambas reacciones electroquímicas son necesarias para que ocurra la corrosión. La reacción de oxidación causa la actual pérdida de metal pero la reacción de reducción debe estar presente para consumir los electrones liberados por la reacción de oxidación, manteniendo la carga neutral.

De lo contrario, una larga carga negativa de gran rapidez se desarrollaría entre el metal y el electrolito y el proceso de corrosión cesaría. Las reacciones de oxidación y reducción se refieren a veces como reacciones de media celda y pueden ocurrir a nivel local (en el mismo sitio sobre el metal) o puede ser separada físicamente.

2.1.3 ASPECTOS GENERALES DE LA CORROSIÓN

Todos los metales son susceptibles a sufrir el fenómeno de corrosión, el paro de la instalación puede darse como resultado de la misma, provocando gastos directos e indirectos de 2Aspectos Económicos, Aspectos Humano-Sociales, Aspectos de Seguridad Industrial y Aspectos Ambientales.

 Aspectos Económicos:

- Reposición del equipo perdido

- Coeficiente de seguridad y sobre diseño para soportar la corrosión - Mantenimiento preventivo como la aplicación de recubrimientos - Paros de transporte de productos terminales

- Contaminación de productos - Pérdida de productos - Daño de equipo adyacente

2

(41)

13

 Aspectos Humano-Sociales:

- Condiciones Insalubres.- La contaminación debido a productos del equipo corroído

-Agotamiento de Recursos Naturales.- En metales como en combustibles usados para su manufactura

- Apariencia.- Los materiales corroídos generan contaminación visual

 Aspectos de Seguridad Industrial:

- Las fallas violentas pueden llegar a provocar incendios explosiones y liberación de productos tóxicos con consecuencias fatales para toda instalación petrolera

 Aspectos Ambientales

-Derrames de hidrocarburos con afectación directa al medio físico como suelo subsuelo, agua superficial, agua subterránea, flora, fauna, y la atmosfera.

2.1.4 FORMAS, CAUSAS, VARIABLES Y TIPOS DE CORROSIÓN

2.1.4.1 FORMAS DE CORROSIÓN

La corrosión ataca en diferentes formas que dependen de todas las variables existentes en un sistema, forma de trabajo y de la metalurgia del equipo involucrado. Generalmente se basa en uno de éstos tres factores3:

3

(42)

14

a. Apariencia del metal corroído.- La corrosión puede ser uniforme y entonces el metal se corroe a la misma velocidad en toda su superficie, o bien, puede ser localizada, en cuyo caso solamente resultan afectadas áreas pequeñas.

b. Mecanismo de corrosión.-Este comprende las reacciones químicas que

son la oxidación de los metales que es un proceso natural e irreversible y las electroquímicas que es el flujo de electrones entre metales por diferencia de fuerza o potencial electromotriz.

c. Naturaleza de la substancia corrosiva.- La corrosión puede ser clasificada como húmeda o seca, para la primera se requiere un líquido o humedad mientras que para la segunda las reacciones se desarrollan con gases a altas temperaturas.

2.1.4.2 CAUSAS DE CORROSIÓN

2.1.4.2.1 CELDA DE CORROSIÓN DIFERENCIAL

Para que el proceso de corrosión se active, se requiere la existencia de un circuito eléctrico el cual está formado por 4 elementos, Figura 2.2.

El sitio donde el metal se oxida se conoce como el ánodo o sitio anódico. En este sitio, la corriente eléctrica directa (definida como un flujo positivo de carga) los flujos de la superficie metálica en el electrolito como los iones metálicos dejan la superficie.

(43)

15

Figura 2.2 – Esquema mostrando una celda de corrosión diferencial

Fuente: Engineering Encyclopedia. Saudi Aramco Desktop Standards, Chapter Corrosion, File reference COE-101.04

Los cuatro componentes indispensables de una celda de corrosión diferencial que son:

1. Ánodo 2. Cátodo

3. Puente Metálico 4. Electrolito

(44)

16

La pérdida de electrones (con carga negativa) convierte al metal en un ión con cargas positivas. La pérdida de electrones se denomina Oxidación.

2.- 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:

Reacción 2.4 – Catódica

2H+ + 2e- H2

Fuente: Control de corrosión en operación de producción de petróleo, Ing. Fausto Ramos UTE. 2010

Si otro elemento oxidante, como por ejemplo el oxígeno, está presente en el agua, hay dos reacciones posibles:

Reacción 2.5 – Catódica en Aguas Ácidas

O2 + 4H+ + 4e- 2H2O

(45)

17

Reacción 2.6 – Catódica en Aguas Alcalinas

O2 + 2H2O + 4e- 4(OH) -

Figura 2.3 – Corrosión del Acero

En resumen la reacción química en el ánodo produce electrones y la reacción química en el cátodo consume éstos electrones. Los electrones viajan a través del metal, desde el ánodo al cátodo, a través de un puente metálico que representa el tercer elemento del circuito eléctrico.

CORROSION del ACERO

PIEZA DE METAL EN SECO

Fe3C

Fe

Fe3C

Fe

2H+ + 2e H2

Fe Fe++ + 2e

Flujo de electrones

ANODO CATODO

AGUA DE MAR ACERO AL CARBON ACERO AL CARBON Flujo de Corriente e

(46)

18

3.- Puente metálico: Es el puente de circulación de electrones. Los electrones viajan del ánodo al cátodo la corriente eléctrica generada lo hace en sentido inverso.

4.- El electrolito: Está, representado por la solución que cubre el ánodo y cátodo ó 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.

2.1.4.2.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL AGUA

Siendo la corrosión un proceso electroquímico, la presencia de agua es una de las condiciones básicas para establecer un proceso de corrosión y principalmente la composición química de ésta, y más aún, la presencia de gases disueltos en ella, específicamente:

- Oxígeno

- Dióxido de carbono y - Sulfuro de Hidrógeno

Dos factores son importantes cuando consideramos las características del agua y cómo ellas afectan el proceso de corrosión.

La primera es la conductividad, ó capacidad del agua para transportar la electricidad y que depende de la concentración de sales disueltas en ella.

(47)

19

de gases disueltos ó agentes oxidantes, los cuales son la causa principal de corrosión en un sistema.

En los campos petroleros, los principales agentes son el oxígeno y gases que generan acidez: Dióxido de carbono (CO2) que genera ácido

carbónico (H2CO3) y ácido sulfhídrico (H2S), que se disuelve y disocia

en el agua.

Ambos tienen la facultad de atacar directamente al acero para formar carbonato de hierro y sulfuro de hierro.

Figura 2.4 – Corrosividad comparativa de 3 gases comunes en Soluciones de Agua

(48)

20

Es importante indicar que para que exista un proceso de corrosión, ambos factores deben estar involucrados. Podemos tener por ejemplo aguas con alta concentración de sales disueltas (alta conductividad), pero si no hay presencia de agentes oxidantes, no tendremos corrosión en el sistema.

La situación inversa: agua no conductora (0 de conductividad), el caso del agua pura por ejemplo, con presencia de agentes oxidantes causará corrosión por acción directa de agente oxidante.

El efecto perjudicial de la conductividad es sólo su capacidad de transportar iones ó corriente eléctrica acelerando el proceso de corrosión. Aguas con baja conductividad y alta concentración de gases disueltos generarán alta corrosión en el sistema.

2.1.4.2.3 CONCENTRACIÓN DE GASES DISUELTOS EN FLUIDO

La influencia directa en la concentración de gases oxidantes, especialmente el H2S y CO2 puede medirse por determinación del pH

del agua, el cual se describe en los análisis básicos del agua.

(49)

21

2.1.4.2.3.1 OXÍGENO DISUELTO

Es el agente oxidante más agresivo, ya que puede causar gran corrosión a concentraciones muy bajas: < 1.0 ppm.

Si cualquiera ó ambos de los otros dos agentes CO2 y H2S están

presentes, el oxígeno aumentará su grado de agresividad.

El oxígeno acelera la corrosión en toda circunstancia debido a su alto poder oxidante (gran potencial electroquímico) y capacidad para combinarse fácilmente con los electrones liberados en el cátodo.

El grado de corrosión dependerá sólo de la velocidad de difusión del oxígeno hacía el cátodo. El mecanismo de acción es Reacción 2.1 y Reacción 2.6

Los productos de la reacción conllevan a la formación de hidróxido de hierro [Fe(OH)3], el cual al acumularse en la superficie del metal,

forma una barrera que puede frenar el proceso de corrosión (Efecto de pasivación).

(50)

22 Figura 2.5 – Efecto del Oxígeno

El oxígeno causa diferentes modalidades ó tipos de corrosión. La forma típica de corrosión por oxígeno, es la picadura, con presencia de óxido ó hidróxido de Fe. También se forman celdas de corrosión por aireación diferencial, en áreas donde existen diferentes concentraciones de oxígeno, en ese caso, el área de menor concentración se transforma en un ánodo. Los ejemplos más típicos son la corrosión por estancamiento, interfases aire-agua y formación de tubérculos.

EFECTO DEL OXÍGENO

Fe Fe++ _{+ 2e}- _{(reacción anódica)}

H+ _{+ 2e}- _2H0 _H

2(reacción catódica)

2 H0 + 1/2O2 H2O

EN LA REACCI

EN LA REACCIÓÓN ANODICAN ANODICA

EL OXÍGENO PRECIPITA AL FE++_{EN EL ÁNODO PREVINIENDO LA POLARIZACIÓN}

ANÓDICA, INCREMENTANDO LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN.

EN LA REACCI

EN LA REACCIÓÓN CATN CATÓÓDICADICA 2H+ _{+ 2E}- _2H0 _{(ETAPA RÁPIDA)}

2H0 _H

2 (ETAPA LENTA)

EL H2 GASEOSO CUBRE Y POLARIZA EL ELECTRODO CATÓDICO, RETARDANDO LA REACCIÓN DE CORROSIÓN.

2H0 + 1/2 O2 H20

CON EL O2PRESENTE, EL H2NUNCA SE FORMA, EL CÁTODO NO SE POLARIZA Y LA

(51)

23

La presencia de oxígeno no es natural en campos de producción. Los pozos petroleros no producen oxígeno. El oxígeno se introduce mayormente en el equipo de superficie: tanques abiertos, sellos de bombas en mal estado y sistemas que trabajan al vacío.

Figura 2.6 – Corrosión por O2, Corrosión por CO2 acelerada por

O2

2.1.4.2.3.2 DIÓXIDO DE CARBONO DISUELTO

Éste es probablemente el agente oxidante más común en la producción petrolera y se encuentra presente en casi todas las áreas conocidas por que es parte del proceso de formación del petróleo en los reservorios.

CORROSIÓN POR O2

CARACTERIZADA POR PITS DE AMPLIA BASE, DE BORDES MODERADOS Y FONDOS CONTENIENDO DEPOSITOS DE Fe2O3

CORROSIÓN POR CO2 ACELERADA POR O2

(52)

24

El Dióxido de Carbono se disuelve en el agua para formar el ácido carbónico, que reduce el pH del agua y aumenta la corrosión por ataque directo a las superficies metálicas de los equipos.

El mecanismo de acción es el siguiente:

Reacción 2.7 – Dióxido de Carbono disuelto en Agua para formar Ácido Carbónico

CO2 + H2O H2CO3

Reacción 2.8 – Ácido Carbónico con el Hierro

Fe + H2CO3 Fe2CO3 + H2

El tipo de corrosión causada por el ácido carbónico es de tipo picadura localizada y se conoce como corrosión dulce.

Los principales factores que gobiernan la corrosión por CO2 son la

(53)

25 Figura 2.7 – Corrosión por CO2

En términos generales, a mayor presión del sistema, mayor cantidad de CO2 disuelto y consecuentemente mayor corrosión (menor pH en el

agua).

A mayor temperatura se reduce la solubilidad del CO2 disuelto, por

consiguiente menor corrosión (mayor pH en el agua). Figura 2.8

CORROSI

Ó

N POR CO

22

(54)

26

Figura 2.8 – Guía general de predicción de Corrosión por CO2

Finalmente la presencia de una mayor cantidad de sales en el agua, puede atenuar la reducción del pH, pero también aumentar el grado de conductividad iónica. Ello depende del tipo de componentes en el agua.

La presión parcial del CO2 se puede utilizar para predecir el grado de

corrosividad de un determinado sistema.

Para ello necesitamos conocer la concentración de CO2 en el gas y la

presión total a la cual se encuentra un sistema determinado. Ecuación 2.1

GUIA GENERAL DE PREDICCION DE

CORROSION POR CO

₂

PRESION PARCIAL DE CO2 CORROSION

SOBRE 30 PSIG

ALTA POSIBILIDAD DE OCURRENCIA

3 A 30 PSIG

BAJA POSIBILIDAD DE OCURRENCIA

NO OCURRE CORROSION

(55)

27

Ecuación 2.1 – Presión Parcial

Presión Parcial = Presión Total * fracción molar de CO2 en el gas

En la Figura 2.9 puede apreciarse el efecto de la presión parcial sobre el pH, ó acidez del agua producida. Este aspecto es importante en el estudio de problemas de control de corrosión é incrustaciones.

Figura 2.9 – Efecto de la Presión parcial del CO2 sobre el pH

EFECTO DE LA PRESIÓN PARCIAL DEL CO2 SOBRE EL pH

3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1 4.2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

PRESIÓN PARCIAL DE CO2, psig

pH

60 F 78 F 105 F

(56)

28

2.1.4.2.3.3 ÁCIDO SULFHÍDRICO DISUELTO

El H2S es un gas que se encuentra en áreas determinadas, pero en

mayor ó menor concentración, se disuelve fácilmente en el agua, en condiciones normales y actúa como un ácido débil.

La corrosión causada por el H2S es del tipo de picadura localizada y

se conoce generalmente como corrosión agria, cuando la concentración del gas es mayor de 10 ppm. Cuando es menor de 5 ppm se denomina dulce.

Cuando en un sistema existen los dos gases: H2S y CO2, la corrosión

es más intensa y si se suma a esto la presencia de oxígeno, la velocidad de corrosión aumenta a niveles dramáticos. El H2S también

puede generarse por actividad microbiológica, específicamente por una bacteria denominada sulfato-reductora y que actúa convirtiendo el ión sulfato (SO4), presente en aguas producidas, en ácido sulfhídrico.

Es importante determinar siempre el origen de la presencia de este gas a fin de optar por el tratamiento más adecuado: control biológico ó control de corrosión por otros métodos. El mecanismo de la corrosión por ácido sulfhídrico es complejo pasando por diferentes estados de oxidación hasta la reacción final.

Reacción 2.9 – Sulfuro de hierro producto de la corrosión por H2S

H2S + Fe + H2O FeS + H2

(57)

29

El sulfuro de hierro (FeS), producto de la corrosión por éste gas es un polvo fino de color negro que se adhiere a la superficie metálica como una capa fina.

El problema es que el FeS es catódico con respecto al acero, lo cual produce una corrosión muy localizada en la forma de una picadura muy profunda Figura 2.10

Otros problemas generados por la presencia de H2S, son el

ampollamiento por hidrógeno y la fractura del metal.

Figura 2.10 – Corrosión por H2S

CORROSI

Ó

N POR H

22

S

(58)

30

2.1.4.2.4 METALURGIA DEL ACERO

La naturaleza de los materiales que utilizamos en tuberías de pipetrack en RLL, están fabricadas generalmente por acero al carbón. El acero es una aleación de hierro y pequeñas cantidades de Carbón (0.08 a 1.0 %), que le dan más tenacidad y resistencia. En la aleación del acero existen dos materiales: hierro puro y granos de carburo de hierro (Fe3C), este

último distribuido en forma de granos finos.

El Carburo de hierro (Fe3C), tiene menos tendencia a corroerse que el

hierro puro que en ésta condición se convierte en ánodo si el sistema está en contacto con un electrolito (agua de producción), formándose, en consecuencia muchísimas celdas de corrosión generalizada.

Este tipo de diferencias en la composición química y características de los materiales se presentan también en el caso de las soldaduras donde el calor impreso ha cambiado la estructura cristalina del metal y por ello presenta potencial diferente. Esto se observa también en el hiero fundido.

Los metales son en esencia materiales no homogéneos y existen diferencias de potencial que promueven el inicio de la corrosión en éstos materiales.

El tratamiento térmico del acero tiene muchas variaciones que dan origen a cambios en la micro estructura del acero.

(59)

31 2.1.4.3.1 TEMPERATURA

Como regla general, las reacciones químicas incrementan su velocidad cuando la temperatura es mayor. Lo mismo es aplicable a la corrosión en sistemas cerrados, como los sistemas de producción. Se ha establecido una regla práctica indicando que cada 10 °C de aumento de la temperatura, la velocidad de corrosión se incrementa el doble.

En sistemas abiertos: tanques, recipientes, la corrosión tiende a aumentar en un momento y luego si la temperatura sigue aumentando, la corrosión comienza a disminuir por que los gases disueltos, causantes directos de la corrosión, comienzan a ser expulsados de la fase agua.

2.1.4.3.2 PRESIÓN

La presión influye también en la intensidad de la corrosión. A mayor presión, mayor cantidad de gases (CO2, H2S, O2) disueltos presentes y

por lo tanto mayor velocidad de corrosión.

2.1.4.3.3 VELOCIDAD

(60)

32

Si el fluido además arrastra sólidos en suspensión ó burbujas de gas ó aire, el efecto es mayor por la fricción ejercida por las partículas sólidas contra la superficie metálica (Corrosión por erosión) y golpe de las burbujas contra la superficie metálica (corrosión por cavitación), respectivamente.

En algunos casos cuando la velocidad es baja, la velocidad de corrosión disminuye, pero aumenta la tendencia a una forma de corrosión conocida por picadura.

Sucede que a velocidades bajas de flujo, y generalmente en sistemas que tienen alta concentración biológica, se forman películas de materia orgánica y debajo de ellas se asientan colonias bacterianas que generan ácidos, los cuales causa corrosión localizada.

2.1.4.3.4 ESFUERZOS DE TENSIÓN

La acción conjunta de un esfuerzo de tensión y un medio ambiente corrosivo, dará como resultado en algunos casos, la fractura de una aleación metálica. Las fracturas pueden seguir caminos inter cristalinos o transcristalinos que a menudo presentan una tendencia a la ramificación.

(61)

33 2.1.4.4 TIPOS DE CORROSIÓN

En la industria petrolera, la corrosión se divide principalmente en corrosión uniforme, aquella en que el desgaste del metal es más ó menos parejo (uniforme) y la corrosión localizada, donde se aprecia desgaste más intenso en unas zonas, incluyendo aún perforaciones que atraviesan toda la pared del metal, cuando al costado aparentemente no se observa un desgaste.

Otras formas de corrosión no solo implican desgaste de ciertas zonas de la superficie metálica sino que van más allá, es decir hacía la misma estructura del metal causando fatiga y fisura ó fractura de la estructura metálica.

A continuación se describen los tipos de corrosión y su representación gráfica en la Figura 2.11:

- Celdas de Concentración

- Corrosión Bi-metálica o Galvánica - Corrosión-Erosión

1. Corrosión Localizada - Corrosión - Cavitación - Corrosión Intergranular - Fallas causadas por hidrógeno - Corrosión por Fatiga

(62)

34

Figura 2.11 – Las 8 Formas de Corrosión

(63)

35

2.1.4.4.1 CORROSIÓN LOCALIZADA

El proceso de corrosión se concentra en áreas específicas con intensidad varias veces mayor a la que sucede en el resto de la superficie y los huecos resultantes pueden ser estrechos y profundos (hasta llegar a la perforación de la pared metálica misma) o más extendidos y superficiales. Dentro de ésta forma de corrosión se conocen algunas variaciones típicas:

2.1.4.4.1.1 CELDAS DE CONCENTRACIÓN

Es un tipo de corrosión que se origina por diferencias localizadas en el metal ó en el electrolito en contacto con el metal. Diferencias en la composición del electrolito (puede ser por agua), generalmente se clasifican como celdas de concentración.

Ejemplos:

Corrosión por estancamiento.- Es un tipo de corrosión por picadura que se desarrolla en hendiduras y rendijas, por estancamiento de flujo y diferencia en la concentración del gas oxidante presente.

Éste gas se consume más rápidamente en la hendidura, dejando un diferencial de concentración que inicia el flujo de electrones hacía la zona con menos concentración del gas.

(64)

36

Tubérculos de Oxígeno.- Es un tipo de picadura con el mismo principio anterior. Es influenciado por la formación de una capa porosa de óxido ó hidróxido de hierro que cubre parcialmente la superficie metálica y crea una diferencia de concentración de oxígeno entre la zona adyacente al depósito de óxido y la zona situada debajo del depósito.

Celdas de aireación diferencial.- Es una forma de picadura que se origina por la diferencias de aireación en zonas que tienen contacto con el oxígeno atmosférico.

Corrosión bajo depósitos.- Es una forma de picadura que se origina por la depositación de incrustamientos, óxidos productos de corrosión y lodos de tipo poroso sobre áreas determinadas de la superficie metálica, propiciando diferencias en la concentración de gases disueltos.

Normalmente se produce en el fondo de tuberías y tanques. También es una variación de la tuberculación por oxígeno.

2.1.4.4.1.2 CORROSIÓN POR UNIÓN BI-METÁLICA Ó CORROSIÓN GALVÁNICA

(65)

37

Tabla 2.1 – Corrosión Galvánica entre metales

(66)

38

en este caso el metal menos noble se corroe a una velocidad proporcional a la diferencia de áreas.

Un ejemplo beneficioso, de éste tipo de corrosión es la protección catódica utilizando ánodos de sacrificio, a base de zinc que se colocan aciertos intervalos en un sistema de tuberías de acero al carbón haciendo que en éste caso en material menos noble (zinc) se corroa mientras que la estructura que queremos proteger se mantiene inalterable. Cada cierto tiempo obviamente, tendremos que reemplazar los ánodos desgastados de zinc.

Ejemplo:

HAZ (Corrosión por Zona Térmicamente Afectada).- Este tipo de corrosión se aprecia en las zonas de soldadura de una tubería. Durante la soldadura de dos tuberías, y por efecto del arco térmico, las zonas adyacentes pueden ser afectadas por la temperatura que cambia la micro estructura del metal; la cual es diferente de la micro estructura de zonas más alejadas del área de soldadura y por lo tanto se crean dos metales con diferentes potenciales. En ésta situación, generalmente el metal adyacente a la soldadura se vuelve menos noble (ánodo) y se corroe a mayor velocidad.

2.1.4.4.1.3 CORROSIÓN - EROSIÓN

(67)

39

En aceros al carbón, donde se tiende a formar una capa protectora de carbonato de hierro, el metal se ve atacado cuando dicha capa es destruida por efecto de velocidad y turbulencia.

2.1.4.4.1.4 CORROSIÓN - CAVITACIÓN

Es el tipo de corrosión causado por la formación y colapso posterior de burbujas de vapor, debido a cambios rápidos en la presión de un sistema. Los impulsores de bombas centrífugas son más susceptibles a éste tipo de corrosión. Figura 2.12

Figura 2.12 – Corrosión - Cavitación

Fuente: EINPSA, Curso de Facilidades de Producción de Petróleo, Ing. Fausto Ramos UTE. 2010

(68)

40

2.1.4.4.1.5 CORROSIÓN INTERGRANULAR

Es aquella que se realiza en las periferias de los diferentes granos ó núcleos que componen el metal.

Muchas veces se confunde con la corrosión por fractura por estrés la misma que ocurre sólo cuando el metal está sometido a determinadas tensiones.

En la mayoría de los casos, la corrosión intergranular ocurre por imperfecciones en el refinado de las aleaciones por las cuales se producen precipitaciones en las fronteras de los granos que hacen que dichas fronteras se vuelvan más susceptibles a la corrosión que los mismos granos.

Los aceros inoxidables son los más susceptibles a éste tipo de corrosión. Debido a ciertas fallas en el tratamiento térmico de éstos aceros, el carburo de cromo precipita en las fronteras haciéndolo susceptible a este tipo de corrosión. Cuando ello sucede se dice que el acero inoxidable está “sensibilizado”.

La corrección a este problema radica en la ejecución de un tratamiento térmico adecuado, reducir la concentración de carbono (debajo de 0.03 %) y agregar ó alear con otros metales (niobio).

2.1.4.4.1.6 FALLAS CAUSADAS POR HIDRÓGENO

(69)

41

(H2), la cual ocupa un mayor espacio. Con el tiempo la presión

ejercida por las moléculas genera la formación de cavernas de mayor tamaño las mismas que producen un hinchamiento en el área y la posterior falla del metal.

Cuando ello sucede en aceros de baja resistencia, se le denomina ampollamiento y es un problema muy común en campos donde existe mucho H2S, puesto que éste gas produce hidrógeno como producto de su reacción con el acero. Puede causar rupturas y fugas en las tuberías atacadas.

Cuando el hidrógeno entra en aceros de alta resistencia da lugar a otro tipo de falla denominada fragilización. Cuando el metal llega a éste estado de fragilización, falla en forma espontánea a niveles de resistencia muy por debajo de su resistencia normal de trabajo.

La limitación de éste fenómeno a los aceros de alta resistencia se debe al hecho de que sólo en éstos materiales el nivel de tensión es lo suficiente alto como para iniciar el mecanismo descrito.

Las fallas por fragilización por hidrógeno no ocurren inmediatamente después de la aplicación de un esfuerzo mayor ó la exposición al hidrógeno atómico, sino que toman un tiempo determinado hasta que se produce la falla catastrófica. Durante éste período previo, el hidrógeno se difunde hacía los lugares de mayor tensión y se acumula allí.

En campos donde existen ambientes húmedos y con presencia de H2S,

(70)

42

sin embargo se ha aceptado que para que éste tipo de falla se produzca, deben darse las siguientes condiciones:

- Debe haber presencia de H2S

- Debe haber presencia de agua, inclusive trazas de ella - Debe estar involucrado un acero de alta resistencia - El acero debe estar sometido a un esfuerzo de tensión.

Cuando existen éstas condiciones, la fractura por esfuerzo al sulfuro puede ocurrir después de un determinado tiempo, horas, días ó años de servicio.

La susceptibilidad del material a fallar por éste mecanismo, está determinado por las siguientes variables:

- Resistencia ó dureza del acero.- Aceros con resistencias menores de 90,000 psi son poco susceptibles a fallar. Estos niveles sin embargo pueden variar según aleaciones con otros metales y tratamiento térmico aplicado al acero.

- Nivel de Tensión.- A mayor nivel de esfuerzo, menor el tiempo de falla.

- Concentración de H2S

- PH del agua.- La susceptibilidad a la fractura se incrementa cuando el pH es más bajo.

(71)

43

Finalmente está el caso de falla por hidrógeno a altas temperaturas, causada por la reacción del hidrógeno a estas temperaturas con el metal al carbón formando metano (CH4), el cual ocupa un volumen

mayor causando fracturas y cavernas dentro de la micro-estructura del metal.

2.1.4.4.1.7 CORROSIÓN CAUSADA POR FATIGA

Es el tipo de corrosión que ocurre cuando un metal es sometido a esfuerzos cíclicos ó repetitivos y falla en forma de fragilización al realizar esfuerzos por debajo del esfuerzo normal de trabajo.

Hay sin embargo en algunos metales como los aceros, un valor de esfuerzo por debajo del cual no se producirá falla en un metal que está siendo sometido a esfuerzos cíclicos ó repetidos.

Ese valor de esfuerzo se denomina el Límite de Endurancia.y generalmente es más bajo que el esfuerzo de trabajo. La perfomance de los metales sujetos a esfuerzos cíclicos es determinada evaluando el esfuerzo al cual se produce la falla versus el número de ciclos antes de producirse la falla.

Para el caso de aceros al carbón, el Límite de Endurancia generalmente es entre 40 y 60 % de su esfuerzo de tensión y depende de la micro-estructura y tratamiento térmico del acero.

(72)

44

Los tratamientos térmicos pueden de-carburizar un área de la superficie metálica y tener el mismo efecto.

El límite a la fatiga de un metal es seriamente afectado cuando el metal se estresa cíclicamente en un ambiente corrosivo. La ocurrencia simultánea de esfuerzos repetidos y un medio corrosivo se denomina Corrosión-Fatiga.

La característica crítica a reconocer en una situación de corrosión fatiga es que el metal ya no exhibe su Límite de Endurancia Original. La corrosividad del medio ambiente es también de mucha importancia.

La presencia de O2, CO2 y H2S afecta seriamente la resistencia del

metal a la fatiga, por cuanto su acción origina picadura en las superficies del metal.

La corrosión tiene tres posibles influencias en la Corrosión-Fatiga:

1.- Crea asperezas en la superficie metálica promoviendo la formación lugares para inicio de fracturas.

2.- La corrosión puede actuar dentro de una fractura ya iniciada.

(73)

45

2.1.4.4.2 CORROSIÓN UNIFORME

Se caracteriza por ataque corrosivo de manera uniforme sobre toda la superficie o una gran parte de la superficie total. El adelgazamiento general del metal se lleva a cabo hasta que exista una ruptura.

Sobre la base del tonelaje perdido, esta es la más importante forma de corrosión. Sin embargo, la corrosión uniforme es relativamente fácil de medir y predecir. El cambio de apariencia de una superficie brillante o pulida, decoloración del acero son ejemplos de corrosión uniforme Figura 2.13.

Figura 2.13 – Corrosión Uniforme

Fuente: The 8 Forms of Corrosion, Transferring Expert Knowledge Migas, Indonesia

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La corrosión de la superficie puede indicar una ruptura de la capa protectora, sin embargo deben ser examinados de cerca.

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CAPÍTULO III

3. PRINCIPIOS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA

El sistema de protección catódica con corriente impresa se llevó a cabo aproximadamente cien años después que el de ánodos galvánicos.

En este sistema de protección catódica se utiliza la corriente suministrada por una fuente continua para imprimir la corriente necesaria para la protección de una estructura.

Para que exista la corrosión electroquímica o húmeda, es fundamental que se ponga en funcionamiento una pila galvánica que denota la existencia de un ánodo, un cátodo y un electrolito.

En el momento en que uno de estos tres elementos básicos para el funcionamiento de una pila falle, ésta dejará de funcionar y por tanto se detendrá la corrosión.

Los sistemas de protección contra la corrosión están basados en la eliminación de alguno de estos elementos o en hacerlos inoperantes.

El procedimiento que elimina todos los ánodos de la superficie metálica haciéndola toda catódica, se conoce con el nombre de protección catódica.

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electrodo auxiliar que puede estar constituido por chatarra de hierro, ferro-silicio, plomo-plata, grafito, etc. Figura 3.1

Figura. 3.1 - Diagrama de Protección Catódica

Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila / Joan Genescá

Desde el punto de vista de la termodinámica, la protección catódica se basa en la existencia de un potencial y de una zona de inmunidad, en el correspondiente diagrama de estabilidad termodinámica o diagrama potencial - pH, más conocido como diagrama de Pourbaix.

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La densidad de corriente que será necesario aplicar para conseguir rebajar el potencial de la estructura a proteger (0.80 V) al valor señalado. Éste será un dato de gran valor ya que influirá directamente en la economía del sistema.

Figura 3.2 - Diagrama de estabilidad termodinámica o diagrama potencial - pH, más conocido como diagrama de Pourbaix para el Hierro

Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila / Joan Genescá