PEMEX EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓN PÁGINA 1 DE 56
DISEÑO, INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN
CATÓDICA
(Esta norma cancela y sustituye a la NRF-047-PEMEX-2002 de fecha 26 de agosto de 2002)
CAPÍTULO PÁGINA
0. INTRODUCCIÓN ... 4
1. OBJETIVO... 4
2. ALCANCE... 4
3. CAMPO DE APLICACIÓN ... 5
4. ACTUALIZACIÓN ... 5
5. REFERENCIAS ... 5
6. DEFINICIONES ... 6
7. SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS... 8
8. DESARROLLO... 10
8.1 Tipos de sistemas de protección catódica... 10
8.2 Diseño... 10
8.3 Materiales ... 28
8.4 Instalación y pruebas... 31
8.5 Inspección y Mantenimiento ... 35
8.6 Documentación y registros ... 36
9. RESPONSABILIDADES... 37
10. CONCORDANCIA CON NORMAS MEXICANAS O INTERNACIONALES... 37
11. BIBLIOGRAFÍA ... 37
12. ANEXOS... 39
0. INTRODUCCIÓN
En las estructuras o tuberías de acero enterradas o sumergidas, existen varias formas de corrosión, producidas por diferentes causas que inciden en el deterioro del metal. Diversos factores afectan sustancialmente el tipo y velocidad de corrosión en una estructura en contacto con el suelo o con los diferentes ambientes que la rodean.
Se cuenta con métodos para prevenir y controlar la corrosión, como las barreras físicas, inhibidores de corrosión y los sistemas de protección catódica, éste último consiste en lograr que la estructura funcione como cátodo en una celda de corrosión, mediante la modificación de factores electroquímicos.
Debido a que la protección catódica es uno de los sistemas más efectivos para el control de la corrosión exterior de estructuras enterradas o sumergidas, es necesario establecer los requisitos técnicos para su aplicación.
Este documento normativo se realizó en atención y cumplimiento a:
Ley Federal sobre Metrología y Normalización y su Reglamento.
Ley de Obras Públicas y Servicios Relacionados con las Mismas y su Reglamento.
Ley de Adquisiciones, Arrendamientos y Servicios del Sector Público y su Reglamento.
Ley General de Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente y su Reglamento.
Guía para la Emisión de Normas de Referencia de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios (CNPMOS-001, 30 septiembre 2004).
En la revisión y actualización de esta norma participaron:
PEMEX-Exploración y Producción.
Pemex Gas y Petroquímica Básica.
Pemex Refinación.
Pemex Petroquímica.
Petróleos Mexicanos.
Participantes externos:
Instituto Mexicano del Petróleo
Comercializadora Eléctrica y Electrónica Méndez, S.A. de C.V.
Protección Catódica Mexicana, S.A. de C.V.
1. OBJETIVO
Establecer los requisitos técnicos, criterios y metodologías para la contratación de los servicios de diseño, especificación de materiales, instalación y mantenimiento de los sistemas de protección catódica en estructuras enterradas o sumergidas, utilizadas para la explotación, transporte y almacenamiento de hidrocarburos y sus derivados.
2. ALCANCE
Esta norma incluye los requisitos para el diseño, materiales, instalación, pruebas y mantenimiento de sistemas de protección catódica, a través de ánodos galvánicos o sistemas de corriente impresa, para proteger contra la corrosión a tuberías enterradas (en lecho marino y áreas terrestres) o sumergidas en cuerpos de agua dulce, salobre, marino y para subestructuras de plataformas marinas, muelles, embarcaderos y monoboyas, utilizados
en las actividades de producción, transporte, distribución, comercialización y procesamiento de hidrocarburos y sus derivados en Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios.
Esta norma cancela y sustituye a la NRF-047-PEMEX-2002, Rev. 0 de fecha 26 de agosto de 2002.
3. CAMPO DE APLICACIÓN
Esta norma de referencia es de aplicación general y observancia obligatoria en la contratación de los servicios de diseño, instalación y mantenimiento de los sistemas de protección catódica que se realicen en los centros de trabajo de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios. Por lo que debe ser incluida en los procedimientos de contratación: licitación pública, invitación a por lo menos tres personas o adjudicación directa, como parte de los requisitos que debe cumplir el proveedor, contratista o licitante.
4. ACTUALIZACIÓN
Esta norma se debe revisar y en su caso modificar al menos cada 5 años o antes si las sugerencias y recomendaciones de cambio lo ameritan.
Las sugerencias para la revisión y actualización de esta norma, deben enviarse al Secretario del Subcomité Técnico de Normalización de PEMEX-Exploración y Producción, quien debe programar y realizar la actualización de acuerdo a la procedencia de las mismas y en su caso, inscribirla dentro del Programa Anual de Normalización de Petróleos Mexicanos, a través del Comité de Normalización de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios.
Las propuestas y sugerencias de cambio deben elaborarse en el formato CNPMOS-001-A01 de la Guía para la Emisión de Normas de Referencia CNPMOS-001-A0, Rev. 1 del 30 de septiembre de 2004 y dirigirse a:
PEMEX-Exploración y Producción.
Coordinación de Normalización.
Bahía de Ballenas 5, Edificio “D”, PB., entrada por Bahía del Espíritu Santo s/n.
Col. Verónica Anzures, México D. F., C. P. 11 300 Teléfono directo: 1944-9286
Conmutador: 1944-2500 extensión 380-80, Fax: 3-26-54 Correo Electrónico: mpachecop@pep.pemex.com
5. REFERENCIAS
5.1 ISO 13174:2006.- “Cathodic protection for harbor installations” (Protección catódica para las instalaciones portuarias)
5.2 ISO 15589-1:2004.- “Petroleum and natural gas industries - Cathodic protection of pipeline transportation systems, Part 1: On-Land pipelines”. (Industrias del petróleo y gas natural – Protección catódica a ductos de transporte, parte 1 Ductos terrestres).
5.3 ISO 15589-2:2004 - “Petroleum and natural gas industries - Cathodic protection of pipeline transportation systems, Part 2: Offshore Pipelines” (Industrias del petróleo y gas natural – Protección catódica a ductos de transporte, parte 2 Ductos marinos).
5.4 NOM-001-SEDE-2005 - “Instalaciones eléctricas (Utilización)”.
5.5 NOM-008-SCFI-2002 - “Sistema general de unidades de medida”.
5.6 NOM-008-SECRE-1999 - “Control de la corrosión exterior en tuberías enterradas y/o sumergidas”.
5.7 NRF-013-PEMEX-2005- “Diseño de líneas submarinas en el Golfo de México”.
5.8 NRF-014-PEMEX-2006 – “Inspección, evaluación y mantenimiento de ductos submarinos”.
5.9 NRF-020-PEMEX-2005 - “Calificación y certificación de soldadores y soldadura”.
5.10 NRF-026-PEMEX-2001 - “Protección con recubrimientos anticorrosivos a tuberías enterradas y/o sumergidas”.
5.11 NRF-030-PEMEX-2006 “Diseño, construcción, inspección y mantenimiento de ductos terrestres para transporte y recolección de hidrocarburos”
5.12 NRF-048-PEMEX-2003 - “Diseño de instalaciones eléctricas en plantas industriales”.
5.13 NRF-053-PEMEX-2006 - “Sistemas de protección anticorrosiva a base de recubrimientos para instalaciones superficiales”.
5.14 NRF-096-PEMEX-2003 - “Conexiones y accesorios para ductos de recolección y transporte de hidrocarburos”.
5.15 NRF-110-PEMEX-2003 - “Evaluación de ánodos de sacrificio galvánicos de magnesio”.
5.16 NRF-126-PEMEX-2005 - “Ánodos de aluminio”.
6. DEFINICIONES
Para propósitos de esta norma se establecen las definiciones siguientes:
6.1 Alma del ánodo - Varilla, solera o tubo de acero colocado en el centro del ánodo galvánico, utilizado para la sujeción o fijación del mismo.
6.2 Ánodo - El electrodo de una celda electrolítica en el cual la principal reacción que ocurre es la de oxidación.
6.3 Ánodo galvánico o de sacrificio - Es un metal con potencial normal de oxidación mayor que el de la estructura metálica por proteger, de tal forma, que al emitir corriente de protección se consume.
6.4 Ánodo inerte - Es aquél que no produce corriente eléctrica y su consumo no es directamente proporcional a la corriente de protección.
6.5 Caída de voltaje IR - Cambio de potencial debido al paso de una corriente eléctrica “I” en un circuito de resistencia “R”. Esta caída debe ser considerada para una interpretación válida en la medición de potenciales en los sistemas de protección catódica.
6.6 Cambio de potencial - Diferencia entre el potencial estructura – medio (electrolito), medido después de suspender la corriente de un sistema de protección catódica y el potencial instantáneo en estado apagado.
6.7 Cátodo - Es el electrodo de una celda electroquímica, en el cual la principal reacción que ocurre es la de reducción.
6.8 Corriente de protección - Es la corriente eléctrica directa, necesaria para obtener los valores de potenciales de protección catódica de una estructura metálica enterrada o sumergida en un electrolito.
6.9 Corrosión - Es la reacción electroquímica de un metal con su ambiente, resultando en un deterioro gradual y progresivo del metal y sus propiedades. Esta especificación se refiere a la corrosión como una acción electroquímica.
6.10 Densidad de corriente - Es la corriente eléctrica directa por unidad de área de superficie de un electrodo, expresada en mili ampere por metro cuadrado.
6.11 Ducto ascendente - Tramo de tubería ascendente que conecta la trampa de diablos o tubería de cubierta con la curva de expansión de la línea regular que se instala en el lecho marino.
6.12 Electrodo de Referencia - Electrodo con potencial estable y reproducible, el cual se usa en la medición de potenciales estructura – medio (electrolito).
6.13 Electrolito - Conductor iónico de corriente eléctrica directa. Se refiere al subsuelo o al agua en contacto con una tubería metálica enterrada o sumergida.
6.14 Factor de daño del recubrimiento (ƒc) - Es el cociente que resulta de dividir la relación de la densidad de corriente requerida para polarizar una superficie metálica de acero recubierta, entre la densidad de corriente de la superficie metálica del acero desnudo.
6.15 Factor de utilización - Es la proporción de material anódico considerada en el diseño, que puede ser consumida en un ánodo.
6.16 Fuente de energía (Rectificador) - Es cualquier dispositivo que permite imprimir gradualmente, la corriente eléctrica necesaria para la protección de una estructura a través de energía eléctrica continua.
6.17 Masa neta total - Es la masa que se requiere para satisfacer la demanda de corriente media, sin considerar la masa adicional del alma o soportes.
6.18 Polarización - Es la magnitud de variación de potencial de circuito abierto de un electrodo, causado por el paso de una corriente eléctrica.
6.19 Poste de señalamiento y registro - Es aquél que indica la trayectoria y localización de las estructuras metálicas por proteger, sirviendo además para medir el potencial de la estructura al electrolito.
6.20 Potencial de estructura-electrolito - Es la diferencia de tensión, entre una estructura metálica enterrada o sumergida y un electrodo de referencia, en contacto con el electrolito.
6.21 Potencial en estado encendido - Potencial estructura–medio (electrolito), medido con la corriente de protección catódica circulando.
6.22 Potencial de polarización - Potencial estructura–medio (electrolito), medido inmediatamente después de interrumpir las fuentes de energía de protección catódica. Es el potencial real de protección de la estructura.
6.23 Protección catódica - Procedimiento eléctrico para proteger las estructuras metálicas enterradas o sumergidas contra la corrosión exterior, el cual consiste en establecer una diferencia de potencial para que convierta a las estructuras en cátodo, mediante el paso de corriente eléctrica directa proveniente del sistema de protección seleccionado.
6.24 Resistencia (shunt) - Resistencia de valor conocido, la cual permite determinar la corriente eléctrica, mediante la obtención de diferencias de potenciales fijas, cuando es insertada en un circuito que transporta carga eléctrica.
6.25 Resistividad del terreno - Es la resistencia eléctrica específica de un terreno, se expresa en Ω-cm.
6.26 Soldadura por aluminotermia - Procedimiento para soldar conductores eléctricos a estructuras metálicas, consiste de una mezcla pulverizada de óxidos de cobre y aluminio con polvo de arranque, que se activa mediante una chispa, dentro de un molde.
Además de lo indicado en el capítulo 6 de esta norma, para otras definiciones aplicables, referirse a la NOM- 008-SECRE-1999, capítulo 4, NRF-013-PEMEX-2005 y NRF-030-PEMEX-2006.
7. SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
A Ampere
a Espaciamiento entre electrodos del Método de Wenner para medir resistividad de suelos (cm)
Ag Plata
Ag/AgCl Plata-Cloruro de Plata
Al Aluminio
ASTM American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales) AWG American Wire Gauge (Calibre de Cable Americano).
BS British Standard (Norma Británica)
oC Grado Celsius CD Corriente directa
cm Centímetro
Cu/CuSO4 Cobre-Sulfato de Cobre
DNV Det Norske Veritas (Norma Noruega) E Potencial ó diferencia de potencial eléctrico U Vida útil material anódico (factor de utilización)
h Hora
I Corriente eléctrica
Ic Valor desconocido de la corriente que circula en un circuito
In Indio
km Kilómetro
m Metro
M Mega
mA Miliamperes
NACE National Association of Corrosion Engineers (Asociación Nacional de Ingenieros en Corrosión).
N.T.N. Nivel de terreno natural
Porcentaje de IR Parámetro obtenido en mediciones de gradientes de potencial de corriente directa.
R Resistencia eléctrica (Ω)
Rs Valor de la resistencia (shunt) (Ω)
s Segundo
V Volt
Vs Caída de potencial medida entre los extremos de la resistencia (shunt) (V)
Zn Zinc
ρ Resistividad (Ω - cm)
Ω Ohm
ISO International Organization for Standardization (Organización Internacional para la Estandarización) 8. DESARROLLO
8.1 Tipos de sistemas de protección catódica
Existen dos tipos de sistemas de protección catódica que pueden utilizarse individualmente o combinados, siendo éstos los siguientes:
8.1.1 Corriente impresa
Este sistema consiste de una fuente de energía y un electrodo auxiliar (ánodo) o grupo de ánodos inertes que integran la cama anódica, situados a la distancia determinada por el diseño de la estructura a proteger, en el cual la corriente fluye del ánodo hacia la estructura.
8.1.2 Ánodos galvánicos (de sacrificio)
Este sistema utiliza como fuente de corriente, la diferencia de potencial entre el material del ánodo y la estructura a proteger.
En este sistema, el material de los ánodos se consume dependiendo de la demanda de corriente de protección de la estructura a proteger, la resistividad del electrolito y del material usado como ánodo, durante el proceso de descarga del mismo.
8.2 Diseño
8.2.1 Consideraciones generales
8.2.1.1 Recubrimiento anticorrosivo - Las estructuras metálicas enterradas o sumergidas, con excepción de las subestructuras de las plataformas marinas, deben protegerse con un recubrimiento anticorrosivo con propiedades dieléctricas.
Las tuberías nuevas enterradas y/o sumergidas deben recubrirse externamente y protegerse conforme a lo indicado en la NRF-026-PEMEX-2001.
En los ductos ascendentes y ejes de las plataformas marinas en la zona de mareas y oleaje, se les debe aplicar un sistema de recubrimiento anticorrosivo de acuerdo con la NRF-053-PEMEX-2005.
8.2.1.2 Aislamiento eléctrico - Los ductos y estructuras metálicas a proteger, deben aislarse eléctricamente a la salida y llegada de las instalaciones de proceso. Cualquier otro tipo de estructuras de metal o de concreto, que formen parte del arreglo de la tubería que transporte el fluido, deben ser consideradas en el diseño del sistema de protección catódica.
8.2.1.3 Criterios para protección catódica – Para proteger catódicamente a las estructuras enterradas o sumergidas, se debe cumplir como mínimo con uno de los criterios indicados a continuación.
a) Un potencial estructura-electrolito (catódico) mínimo de - 0,850 V, de CD, medido respecto de un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4), en contacto con el electrolito en estructuras enterradas. La determinación de este voltaje se debe hacer con la corriente eléctrica aplicada;
b) Un potencial de protección estructura-electrolito (catódico) de - 0,950 V, medido respecto de un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4), cuando el área circundante de la tubería se encuentre en condiciones anaeróbicas y estén presentes microorganismos asociados al fenómeno de corrosión como las bacterias sulfato-reductoras, para una interpretación válida se debe efectuar la corrección a que haya lugar, debido a la caída de voltaje originada durante la medición.
c) Un cambio de potencial de polarización mínimo de - 0,100 V, medido entre la superficie de la tubería y un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4) en contacto con el electrolito.
El cambio de potencial de polarización se debe determinar interrumpiendo la corriente eléctrica de protección y midiendo el abatimiento de la polarización. Los periodos de suspensión de corriente eléctrica de protección, durante los cuales se puede realizar dicha medición están en el rango de 0,1 a 3,0 segundos.
8.2.1.4 Potencial permisible estructura/electrolito para evitar daño al recubrimiento anticorrosivo - Este valor se debe fijar de acuerdo a las características particulares del recubrimiento anticorrosivo de la tubería, no debe exceder al potencial de desprendimiento catódico o a valores de potencial más negativos que originen desprendimiento del recubrimiento.
En caso de no conocerse el valor del potencial permisible, éste no debe ser más negativo de -1.1 V (Cu/CuSO4) en la condición de apagado instantáneo.
8.2.1.5 Consideraciones de diseño - Se debe seleccionar el sistema de protección catódica para cada caso particular, de tal manera que: se proporcione una corriente eléctrica que satisfaga la demanda, se distribuya uniformemente la misma en la estructura por proteger, se eviten interferencias y daños en el recubrimiento anticorrosivo.
El diseño del sistema de protección, debe estar en función de la vida útil de la estructura e incluir todos los accesorios metálicos y líneas que vayan a ser conectados eléctricamente al ducto, tales como curvas de expansión, interconexiones, acometidas, entre otras.
Los sistemas de protección catódica para ductos terrestres que utilicen ánodos galvánicos, deben usar ánodos de magnesio que cumplan con la NRF-110-PEMEX-2003.
Los sistemas de protección catódica para ductos en zonas lacustres que utilicen ánodos galvánicos, pueden utilizar ánodos de zinc que cumplan con esta norma; siempre y cuando su desempeño garantice el cumplimiento de los criterios de protección mediante un estudio previo.
Las estructuras y ductos marinos, deben contar con un sistema de protección catódica permanente instalado simultáneamente en la fase de construcción. Deben emplearse ánodos base aluminio que cumplan con la NRF- 126-PEMEX-2005 o zinc que cumplan con lo indicado en esta norma de referencia y sus respectivas aleaciones sin contenido de mercurio, según se especifique.
8.2.1.6 Información mínima para el diseño de los sistemas de protección catódica en ductos enterrados, lacustres y marinos:
a) Planos de trazo y perfil o planos de alineamiento (con coordenadas geográficas UTM) b) Fecha de construcción.
c) Especificaciones de la tubería, conexiones y otros accesorios.
d) Tipo y calidad del recubrimiento anticorrosivo dieléctrico.
e) Instalaciones adyacentes, cruces entre tuberías e interconexiones.
f) Cruces encamisados.
g) Aislamientos eléctricos.
h) Puenteos eléctricos entre ductos.
i) Requisitos de seguridad.
j) Cruzamientos con vías terrestres y fluviales.
k) Temperatura de operación de la tubería.
l) Sistemas de protección catódica existentes o propuestos.
m) Posibles fuentes de interferencia.
n) Condiciones especiales del ambiente.
o) Vida útil del ducto.
p) Estructuras metálicas enterradas vecinas.
q) Accesibilidad a las áreas de trabajo.
r) Disponibilidad de energía eléctrica.
s) Factibilidad de aislamiento eléctrico de las estructuras vecinas.
t) Corrientes de agua.
u) Uso y ocupación del suelo.
v) Pruebas de requerimiento de corriente y número total de puntos de drenaje.
w) Perfil de resistividad del electrolito.
x) Estadística de fallas de la tubería.
y) Perfil de potenciales estructura-electrolito.
z) Análisis físico-químicos y microbiológicos del electrolito.
8.2.1.7 Juntas aislantes - Las juntas aislantes que se utilicen para aislar eléctricamente la estructura a proteger, deben cumplir con lo indicado en 8.6 de la NRF-096-PEMEX-2004.
8.2.1.8 Planos de diseño - Los planos aprobados para construcción se deben elaborar mostrando con detalle y precisión, el sistema de protección catódica y cumplir con la NOM-008-SCFI-2002, así como la especificación de los materiales empleados. La relación de los planos se indica en los anexos 12.2 y 12.3 y deben incluir lo siguiente:
a) Datos de la tubería por proteger, como: diámetro, espesor, tipo de acero, servicio, longitud, estructuras vecinas enterradas o sumergidas, aislamiento eléctrico, espesor y tipo recubrimiento.
b) Ubicación del sistema (casetas, camas anódicas, postes de señalamiento, registro y puenteo), mediante posicionamiento en coordenadas geográficas UTM considerando el DATUM WGS84.
c) Acceso a las instalaciones.
d) Cable y soldadura.
e) Número, tipo, peso, espaciamiento y profundidad de ánodos, si van empacados o no.
f) Perfil de resistividad del terreno.
g) Nombre del (los) propietario(s) del terreno donde se localiza la instalación de protección catódica.
h) Capacidad y tipo del rectificador o de la fuente de energía empleada.
i) Capacidad de la subestación eléctrica.
j) Caseta de protección para el rectificador.
k) Cantidad, tipo y ubicación de postes de señalamiento y registro.
l) Gráfica para determinar la tierra remota.
m) Medición de potenciales a todo lo largo de la tubería antes y después de la instalación del sistema de protección catódica.
8.2.1.9 Información mínima necesaria para el diseño de sistemas de protección catódica para plataformas marinas
a) Planos de la subestructura.
b) Requerimientos de seguridad.
c) Vida útil de la plataforma.
d) Tirante de agua y altura de marea.
e) Profundidad del lecho marino, velocidad de corrientes, temperatura y resistividad del lecho marino.
f) Instalaciones vecinas, incluyendo tuberías.
g) Aislamiento eléctrico de otras estructuras metálicas que puedan provocar fugas de corriente eléctrica.
h) Sistemas de protección catódica existentes o propuestos.
i) Resistividad del agua.
j) Indicación del eje o pierna donde el ducto ascendente arribará a la plataforma.
8.2.1.10 Muelles, embarcaderos y monoboyas - Para garantizar el buen funcionamiento del sistema de protección catódica, se debe asegurar la continuidad eléctrica de todas las partes metálicas de la estructura.
Para el diseño de los sistemas de protección catódica en este tipo de instalaciones, se deben aplicar los requisitos establecidos en la ISO 13174.
Los parámetros a considerar en el diseño de protección catódica para muelles y embarcaderos son los siguientes:
a) Área por proteger.
b) Factor de daño del recubrimiento.
c) Requerimiento de corriente.
d) Selección del tipo de sistema.
e) Disponibilidad de fuentes de energía.
f) Vida útil de la instalación.
Las monoboyas, se deben proteger por medio de ánodos galvánicos. En la selección de la aleación del ánodo, se deben considerar los siguientes parámetros:
a) El peso del material anódico, no debe afectar la flotabilidad de la monoboya.
b) Prevención de daño mecánico al ánodo en su instalación, montaje y operación.
8.2.2 Procedimiento de cálculo para el diseño de protección catódica con ánodos galvánicos para ductos terrestres y lacustres
Para el diseño de un sistema con ánodos galvánicos se deben considerar los puntos siguientes:
a) Selección del material de los ánodos.
b) Arreglo para la instalación de los ánodos.
c) Propiedades electroquímicas y rendimiento del ánodo indicadas en la tabla 1.
d) Consumo de ánodos de magnesio y zinc (que se establecen en 8.2.2.6).
8.2.2.1 Vida útil - La vida útil del ánodo depende tanto del material como de su peso. Los datos del comportamiento del ánodo instalado, deben usarse para calcular el valor probable de consumo.
Para un ánodo con tamaño y masa propuestos, la entrega de corriente debe ser calculada por la siguiente ecuación:
a a c
R E I E −
= ... (1)
Donde:
I = Entrega de corriente del ánodo, en A.
Ec = Potencial mínimo de protección, en V (de acuerdo con 8.2.1.3).
Ea = Potencial del ánodo, a circuito abierto, en V (ver tabla 1).
Ra = Resistencia del ánodo, en Ω. Para el cálculo de la resistencia del ánodo, se debe utilizar la ecuación 32 de esta norma.
El tiempo de vida del ánodo galvánico, se determina con la expresión:
I R U P C
V= × × × ... (2)
Donde:
C = Capacidad de corriente en A-año/kg.
P = Peso del ánodo en kg.
R = Rendimiento en porcentaje (tabla 1 de este documento).
U = Factor de utilización 0,85.
I = Entrega de corriente del ánodo en (A).
Metal anódico
Capacidad corriente teórica
(A-año/kg)
Rendimiento (en porcentaje)
Potencial a circuito abierto
(V)
Zinc (Zn) 0,094 95 -1.1 vs
Cu/CuSO4
Aluminio (Al) 0,340 90
-1.03 vs Ag/AgCl
Magnesio (Mg) 0.251 50
-1.78 vs Cu/CuSO4
Tabla 1 Propiedades electroquímicas de ánodos galvánicos 8.2.2.2 Corriente de diseño para tuberías enterradas y lacustres
8.2.2.2.1 Área por proteger
DL f
AB = π ... (3) Donde:
AB = Área por proteger m2.
f = Factor de daño del recubrimiento, ver tabla 3.
π = 3,1416
D = Diámetro exterior, en m.
L = Longitud, en m.
8.2.2.3 Cálculo de la corriente necesaria
1000 I I AB× d
= ... (4)
Donde:
I = Demanda de corriente (A)
Id = Densidad de corriente en (mA/m²), ver tabla 2.
8.2.2.4 Densidades de corriente y factor de daño del recubrimiento
Para la selección de la densidad de corriente de diseño indicada en la tabla 2, deben utilizarse los valores reales de resistividad del suelo. Se pueden utilizar otros valores de densidad de corriente cuando éstos sean determinados a partir de estudios de campo.
Resistividad del suelo Ω-cm
Densidad de corriente de diseño
mA/m2
> 10 000 11 1 000-10 000 22
< 1 000 35 Notas:
1.-Para líneas operando a temperaturas elevadas, los valores de densidad de corriente se deben incrementar en un porcentaje de 25, por cada 10 ºC que se incremente la temperatura de operación por arriba de los 30°C.
2.-Se deben tomar mediciones de la resistividad del suelo a diferentes profundidades, a fin de localizar la zona de mayor conductividad, en la que deben ser alojados los ánodos.
Tabla 2 Densidades de corriente diseño en mA/m2
La selección del factor de daño dado en la tabla 3, debe hacerse de acuerdo a la vida de diseño y tipo de recubrimiento del ducto.
Vida de diseño en años Tipo de recubrimiento
10 20 30
Epóxico adherido por fusión 0,01 0,04 0,09
Epóxico liquido 0,03 0,1 0,3
Tricapa Epoxico-Polietileno 0,001 0,004 0,009 Tricapa Epoxico-Polipropileno 0,001 0,004 0,009
Otros 0,03 0,1 0,3
Tabla 3 Factor (f) de daño por tipo de recubrimiento 8.2.2.5 Cálculo de la masa anódica requerida
L
R D
D I
W= × × ... (5) Donde:
W = Peso total de masa anódica requerida, en kg.
DR = Consumo del ánodo, en kg/A-año.
DL = Vida de diseño del sistema, en años.
8.2.2.6 Consumo de ánodos
Magnesio 8,64 kg/A-año (19 lb/A-año) Aluminio 5,45 kg/A-año (12 lb/A-año) Zinc 11,3 kg/A-año (25 lb/A-año)
8.2.2.7 Cálculo del número de ánodos requeridos
WA
N= W ... (6)
Donde:
N = Número de ánodos requeridos WA = Peso de cada ánodo, en kg.
8.2.2.8 Espaciamiento entre ánodos
N
S= L ... (7)
Donde:
S = Espaciamiento, en m.
L = Longitud de la tubería por proteger, en m.
N = Número de ánodos requeridos.
8.2.2.9 Separación máxima de ánodos
0,304 m (12 pulg) D N y menores: 152,4 m Ductos terrestres y lacustres
0,304 m (12 pulg) D N y mayores: 304,8 m
8.2.2.10 Separación entre la estructura por proteger y los ánodos – La separación de los ánodos a la estructura por proteger debe ser de al menos 4,5 metros.
8.2.2.11 Distribución de ánodos – La cantidad determinada de ánodos de sacrificio, debe tener una distribución uniforme, es decir que la longitud total del ducto se divide entre la cantidad de ánodos calculada, con lo que se obtiene la separación entre ánodos, sin exceder lo indicado en 8.2.2.9 de esta norma.
8.2.3 Cálculo para el diseño de la protección catódica con ánodos galvánicos para ductos marinos En agua de mar, deben emplearse ánodos base aluminio o zinc y sus respectivas aleaciones sin contenido de mercurio, según se especifique y el diseño de la protección catódica comprende los siguientes pasos.
8.2.3.1 Area exterior superficial de la tubería a proteger – Se debe calcular el área de la superficie exterior de la tubería a proteger.
Los accesorios que se vayan a conectar eléctricamente al ducto, tales como ductos ascendentes, curvas de expansión, interconexiones submarinas, deben incluirse en los cálculos del área.
8.2.3.2 Cálculo de demanda de corriente – La demanda de corriente media (Icm) y la demanda de corriente final (Icf) se deben calcular por separado en función del área externa del ducto, de acuerdo con la siguiente ecuación y considerar el tipo de recubrimiento para la selección del factor de daño.
c c c
c A fi
I = ... (8) Donde:
Ic = Demanda de corriente para una sección especifica del ducto, en A.
Ac = Área total de la superficie de una sección especifica del ducto, en m².
fc = Factor de daño del recubrimiento, calculado a condición media.
Ic = Densidad de corriente, en A/m², seleccionada a condición media.
Los factores de daño del recubrimiento (fc) consideran en forma anticipada la reducción de la densidad de corriente de protección, debido a la aplicación de un recubrimiento aislante con características dieléctricas.
Cuando fc = 0 el recubrimiento es 100 porcentaje eléctricamente aislante, cuando fc = 1 implica que el recubrimiento no tiene las propiedades de protección y la densidad de corriente catódica de una superficie recubierta, es la misma que para una superficie de acero desnuda.
Para propósitos de diseño de la protección catódica, los factores de daño a condición media del recubrimiento (fc) y final (ff), se deben calcular considerando la vida útil de diseño (tdl) del sistema:
El factor de daño a condición media del recubrimiento fc, está dado por la siguiente ecuación.
) t f 5 , 0 ( f
fc = i+ ∆ dl ... (9) El factor de daño a condición final del recubrimiento ff, está dado por la siguiente ecuación.
) t f ( f
ff = i+ ∆ dl ... (10) Donde:
fi = Factor de daño inicial en el recubrimiento al inicio de la operación del ducto.
∆f = Incremento promedio anual del factor de daño en el recubrimiento.
Tdl = Vida de diseño, expresada en años.
Los parámetros para el cálculo de los factores de daño a condición media y final del recubrimiento, se muestran en la tabla 4 (fi y ∆f), éstos aplican para calcular la demanda de corriente del ducto recubierto, durante y al final de la vida de diseño, respectivamente.
Los factores de daño indicados en la tabla 4 son mínimos, no consideran daños mayores al recubrimiento que generalmente se presentan durante la aplicación o instalación o daños producidos por terceros durante la operación (por ejemplo, rayones producidos por cables de anclas), los cuales deben ser indicados en las bases de diseño. En caso de que las bases de diseño no lo indiquen, tales daños se deben prever incrementando proporcionalmente el factor de daño inicial (fi) hasta un 3% adicional al valor establecido en la tabla 4.
Tipo de recubrimiento Factor fi ∆f Epóxico en polvo adherido por fusión (FBE) 0,020 0,001 -Polietileno extruído tricapa (incluye primario FBE)
polietileno (PE) y polipropileno (PP).
-Cintas o mangas termocontráctiles
0,005 0,0002
Otro tipo de recubrimientos 0.020 0.0001 Nota: Los factores de daño en el recubrimiento, están referidos a ductos expuestos en agua de mar y enterrados en el lecho marino.
Tabla 4 Factores de daño en recubrimientos anticorrosivos
Los parámetros de la densidad de corriente de protección que deben considerarse son:
a) Inicial, se refiere a la densidad de corriente eléctrica inicial requerida para polarizar el ducto dentro de los dos primeros meses de operación de la protección catódica.
b) Media, se refiere a la densidad de corriente necesaria para mantener la polarización de la tubería durante su vida de diseño.
c) Final, es la densidad de corriente eléctrica necesaria para una eventual repolarización del ducto, que puede ocurrir por ejemplo, después de una fuerte tormenta.
Para la selección de la densidad de corriente de diseño indicada en la tabla 5, deben utilizarse los valores de temperatura de operación y condición de exposición del ducto.
Para ductos ascendentes en la zona de mareas y oleaje, la densidad de corriente debe ser igual a la densidad de corriente del ducto marino (línea regular) más 0,01 A/m².
Temperatura de operación del ducto (oC) Condición
de
exposición < 50 50 - 80 80 - 120 > 120
Sumergido en agua
de mar 0,05 0,06 0,07 0,13
Enterrado en lecho
marino 0,02 0,025 0,03 0,04
Tabla 5 Densidad de corriente a condición media en A/m2
Se debe considerar como sumergido en agua de mar, al ducto ascendente y aquel que está instalado sobre el lecho marino.
8.2.3.3 Cálculo de la masa anódica - La masa neta total anódica requerida para mantener la protección catódica a lo largo de la vida de diseño, debe calcularse, para cada sección de la tubería, de acuerdo con la siguiente ecuación.
= ε u
8760 t
W Icm dl ... (11)
Donde:
W = Masa neta total anódica en kg para una sección especifica del ducto.
Icm = Demanda de corriente media en A, para una sección especifica del ducto.
tdl = Vida de diseño, en años. La protección catódica debe calcularse para cubrir todo el periodo de diseño de la instalación.
ε = Capacidad electroquímica del material del ánodo, en A-h/kg. Para propósitos de diseño, los valores de este parámetro electroquímico se indican en la tabla 6.
u = Factor de utilización del ánodo.
Los ánodos de brazalete tipo medias cañas, deben diseñarse de manera que se logre un factor de utilización (u) de por lo menos 0,80 y los ánodos de brazalete tipo segmentado su factor debe ser al menos de 0,75.
8.2.3.4 Cálculo del número de ánodos - La cantidad, dimensiones y la masa neta, deben determinarse para satisfacer los requerimientos de corriente a condiciones media y final del ducto. Las dimensiones y masa neta final de un ánodo, deben optimizarse realizando varias iteraciones con el uso de la siguiente formula:
Wa
n
W= ... (12) Donde:
n = Número de ánodos a ser instalados en una sección especifica del ducto.
W = Masa neta total del ánodo, en kg para una sección especifica del ducto.
Wa = Masa neta individual del ánodo, en kg.
La separación máxima entre ánodos, no debe ser mayor a 200,00 m.
La corriente de salida de un ánodo requerida al final de la vida de diseño (If), debe calcularse con la siguiente ecuación. Se debe considerar la disminución del espesor del ánodo para la condición final.
n
If =Icf ... (13)
Donde:
If = Corriente de salida requerida de un ánodo, al final de la vida de diseño, en A.
Icf = Demanda total de corriente para la protección de una sección especifica del ducto, al final de la vida de diseño, en A.
n = Número de ánodos a instalarse en una sección especifica del ducto.
Inmerso en agua de mar Enterrado en el lecho marino
Tipo de ánodo
Temperatura de operación del ductoa
oC
Potencial del ánodo
vs Ag/AgCl en agua de mar
mV
Capacidad electroquímica
ε A·h/kg
Potencial del ánodo
vs Ag/AgCl en agua de mar
mV
Capacidad electroquímica
ε A·h/kg
≤ 30 -1 050 2 500 -1 000 2 000
60 -1 050 2 000 -1 000 850
Aluminio
80b -1 000 900 -1 000 400
Notas:
a Para temperaturas entre los límites establecidos, la capacidad de corriente se debe interpolar.
Tabla 6 Valores electroquímicos de diseño para ánodos galvánicos de aluminio (Aleaciones Aluminio-Zinc-Indio)
Para un ánodo con tamaño y masa propuestos, la corriente de salida (real) actual de un ánodo al final de la vida de diseño (Iaf), debe ser calculada por la siguiente ecuación:
a a c
af R
E I E −
= ... (14)
Donde:
Iaf = Corriente de salida actual (real) de un ánodo requerida al final de la vida de diseño, en A.
Ec = Potencial de diseño permisible para protección, expresado en V. El potencial mínimo y máximo de protección del ducto/suelo marino, debe ser -0,900 V y -1,100 V de CD respectivamente, con referencia a la celda de plata/cloruro de plata, cuando el ambiente circundante del ducto es anaeróbico. Se utiliza el criterio de protección catódica de -0,800 V de CD con respecto a la celda de referencia de plata/cloruro de plata, para una estructura de acero al carbono enterrada o sumergida, para la condición de ausencia de bacterias anaeróbicas.
Ea = Potencial del ánodo a circuito abierto, expresado en V. Para propósitos de diseño con ánodos galvánicos de aluminio, los valores de este parámetro electroquímico se indican en la tabla 6, de este documento, en función de la temperatura y medio de operación de los ductos o subestructura de la plataforma.
Ra = Resistencia del ánodo, en Ω. Para el cálculo de la resistencia del ánodo en agua de mar al final de la vida de diseño, se debe tomar en cuenta el factor de utilización.
Nota: Ec – Ea se refieren al diferencial del potencial (V).
Para proporcionar la demanda de corriente, la corriente de salida actual (real) del ánodo, debe ser mayor o igual a la corriente de salida requerida:
Iaf ≥ If... (15)
8.2.3.5 Resistencia del ánodo - La resistencia de un ánodo de brazalete está en función de su geometría original (sin desgaste) y de la resistividad de agua de mar o suelo (para el caso de ductos enterrados), para su cálculo debe usarse la siguiente fórmula:
A 315 , Ra 0
= ρ ... (16)
Donde:
Ra = Resistencia del ánodo, en Ω.
ρ = Resistividad del agua de mar o suelo, en Ω-cm.
A = Área de la superficie expuesta del ánodo, en m².
Los siguientes valores de resistividad del agua de mar y del suelo marino deben ser considerados:
a) Resistividad del agua de mar: 17 Ω-cm b) Resistividad del lodo marino: 35 Ω-cm
8.2.3.6 Cálculo de la vida útil de los ánodos - Se debe verificar que la vida útil de los ánodos galvánicos sea igual o mayor a la vida de diseño del ducto, usando la siguiente ecuación.
Icm
E u
L= W ... (17)
Donde:
L = Vida útil de los ánodos, en años.
W = Masa neta de los ánodos, en kg.
u = Factor de utilización del ánodo E = Consumo del ánodo, en kg/A-año.
Icm = Demanda de corriente media, en A.
8.2.4 Diseño de la protección catódica con ánodos galvánicos para la subestructura de una plataforma marina
El diseño de la protección catódica comprende los siguientes pasos.
8.2.4.1 División de la subestructura - Se debe dividir en las siguientes zonas:
a) Sumergida en agua de mar (incluye zona de mareas y oleaje).
b) Enterrada en suelo marino.
8.2.4.2 Cálculo de áreas - Para cada una de las zonas en que se divide la subestructura, se debe realizar el cálculo de la superficie externa de los miembros tubulares que componen dichas zonas, considerando las longitudes a paños entre elementos tubulares y piernas o ejes de la subestructura.
8.2.4.3 Demanda de corriente - La corriente eléctrica de diseño que el sistema de protección catódica debe entregar para polarizar el área externa de los siguientes componentes, se debe calcular como se indica a continuación:
a) Elementos tubulares sumergidos en el agua de mar.
b) Pilotes, piernas y conductores localizados por debajo de la línea de lodos.
c) El área desnuda parcial de las tuberías de revestimiento de los pozos.
d) Tomas de agua de mar de bombas de contra incendio y servicios.
e) Plantillas de pozos y placa base de la subestructura de la plataforma.
En la tabla 7, se presentan los valores de densidades de corriente que deben considerarse en los diseños de protección catódica de las partes antes mencionadas, que conforman la subestructura de las plataformas marinas, estos valores corresponden a la densidad de corriente inicial, media y final.
Densidad de corriente (A/m2)
Lugar
inicial media final
Condición
0,11 0,055 0,075 En agua de mar Golfo de México
0,03 0,02 0,01 En lecho marino
Tabla 7 Densidades de corriente en A/m2, para el diseño de protección catódica en plataformas marinas
Debe incluirse la corriente de diseño requerida por las tuberías de revestimiento de los pozos localizadas por debajo de la línea de lodos. Así mismo, se debe considerar corriente adicional para los pilotes localizados por debajo de la línea de lodos, los valores a considerar por pilote y por tubería de revestimiento por pozo, se deben calcular de acuerdo con la siguiente formula:
c c c
c A f i
I = ... (17) Donde:
Ic = Demanda de corriente para cada una de las zonas de la subestructura, en A.
Ac = Área externa de cada una de las zonas de la subestructura, en m².
fc = Factor de daño del recubrimiento, solo para el caso de la zona de mareas y oleaje.
ic = Densidad de corriente para la condición inicial, media y final, en mA/m².
Nota: Dichos valores deben estar en el rango de 1,5 a 5,0 A.
Para el caso de la zona sumergida, se debe considerar la demanda de corriente para el área externa de cada uno de los conductores de los pozos en contacto con el agua de mar. También, se debe considerar el área sumergida de camisas de succión de bombas, atracaderos, defensas y abrazaderas de ductos ascendentes.
8.2.4.4 Selección de las características de los ánodos de sacrificio - Como una primera aproximación, se seleccionan las características de un ánodo como son; longitud, sección transversal, masa neta, capacidad de corriente, potencial a circuito cerrado (ánodo-agua de mar).
Para el caso de las plataformas marinas, en cuales se utilizan ánodos de sección trapezoidal, se debe calcular un radio equivalente utilizando la siguiente ecuación:
⎟π
⎠
⎜ ⎞
⎝
=⎛ 2
r c ... (18)
Donde:
c = Perímetro de la sección transversal del ánodo en cm.
8.2.4.5 Corriente de salida del ánodo - La corriente de salida por ánodo, cuando la subestructura ha sido instalada en el sitio (condición inicial), se debe considerar de acuerdo con:
R
I=E (Ley de Ohm) ... (19)
Donde:
I = Corriente de salida de un ánodo, en A.
R = Resistencia de ánodo-electrolito, en Ω.
E = Diferencial de potencial, en V.
8.2.4.6 Cálculo de la resistencia inicial del ánodo
La resistencia del ánodo está en función de su geometría original y de la resistividad del agua de mar o del suelo, y se calcula con la siguiente formula:
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ ⎟−
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛
= ρ 1
r L Log 4 3 . L 2 159 .
Ra 0 ... (20)
Donde:
Ra = Resistencia del ánodo, en Ω.
ρ = Resistividad del electrolito (agua de mar), en Ω-cm.
L = Longitud del ánodo, en cm.
r = Radio equivalente del ánodo, en cm.
Para los valores de resistividad del agua de mar, deben considerarse los indicados en 8.2.3.5.
Mientras que el diferencial de potencial, se calcula por:
E = Ec – Ea... (21) Donde:
E = Diferencial de potencial.
Ec = Potencial de protección permisible.
Ea = Potencial del ánodo, a circuito abierto.
La corriente inicial de salida de un ánodo, se calcula con:
a a c
a R
E I E −
= ... (22)
8.2.4.7 Número de ánodos requeridos por corriente inicial - Una vez que se conocen, la demanda y la salida de corriente iniciales de un ánodo, se puede obtener el número de ánodos requeridos a partir de la siguiente expresión:
a i
I N = I
... (23)
Donde:
N = Número de ánodos requeridos por corriente inicial.
Ii = Demanda de corriente inicial, en A.
Ia = Corriente de salida de un ánodo, en A.
8.2.4.8 Determinación del número de ánodos por masa para condición media - Para determinar el número de ánodos para satisfacer la condición de demanda de corriente media, se determina el número de ánodos con la siguiente formula:
w 8760 L Nm ICM
= ε ... (24) Donde:
Nm = Número de ánodos.
ICM = Demanda media de corriente, en A.
L = Vida de diseño, en años.
ε = Capacidad de corriente del ánodo, en A-h/kg.
w = Peso del ánodo seleccionado.
8.2.4.9 Determinación del número de ánodos para condición final - El número de ánodos para satisfacer la demanda de corriente final, se determina de manera similar que para la condición inicial, excepto que para calcular la resistencia del ánodo se utiliza el radio reducido (rconsumido) por el desgaste del ánodo al final de su vida útil, empleando la siguiente ecuación:
rconsumido = rinicial – (rinicial – r alma) U... (25) El número de ánodos requeridos para la condición de corriente final se calcula como:
a f
I
N =I ... (26)
Donde:
N = Número de ánodos requeridos por corriente final.
If = Demanda de corriente final, en A.
Ia = Corriente de salida de un ánodo, A.
Aplicando la misma secuencia de los conceptos de 8.2.4.2 al 8.2.4.8 de este documento, se determina el número de ánodos para zona enterrada en suelo marino, para la condición de demanda de corriente inicial, media y final tomando en consideración lo siguiente:
Mientras que para el caso de los pilotes y placa base (área de ambas caras de la placa), se debe considerar su área externa multiplicada por las densidades de corriente, para el acero desnudo enterrado bajo el fondo del mar, conforme a los valores de las densidades de corriente indicados en la tabla 7 de este documento.
8.2.4.10 Factores de daño del recubrimiento - El sistema de protección catódica para la zona de mareas y oleaje, debe proteger las áreas no cubiertas por el sistema de recubrimiento anticorrosivo.
Se debe considerar un factor de daño del recubrimiento debido principalmente a daños mecánicos a la estructura y a una velocidad de deterioro del recubrimiento a consecuencia de los efectos de la erosión del oleaje sobre el recubrimiento.
El factor de daño del recubrimiento está en función de las propiedades del recubrimiento, de los parámetros operacionales y del tiempo. El resultado de la densidad de corriente eléctrica para la protección de aceros recubiertos en la zona de mareas y oleaje, es por consiguiente igual al producto de la densidad de corriente eléctrica para el acero desnudo y el factor de daño del recubrimiento.
Para propósitos de diseño de la protección catódica en la zona de mareas y oleaje, el factor de daño medio y final es calculado con las siguientes expresiones, las cuales involucran la vida de diseño de la plataforma.
2 T k k ) promedio (
fc = 1+ 2 ... (27)
T k k ) final (
fc = 1+ 2 ... (28) Donde:
k1 = 0,02 k2 = 0,015
T = Vida de diseño de la plataforma.
Considerando los valores de k1 y k2 indicados y tomando una vida útil de 20 años, los factores de daño del recubrimiento, deben ser como mínimo los siguientes valores:
fi (inicial) = 5 porcentaje fc (promedio) = 17 porcentaje ff (final) = 30 porcentaje
8.2.4.11 Cálculo de la vida útil de los ánodos - Se debe verificar que la vida útil de los ánodos galvánicos sea igual o mayor a la vida de diseño de la estructura. La vida útil del sistema puede calcularse con la siguiente expresión:
Im
E U
L=W ... (29)
Donde:
L = Vida útil de ánodos, en años.
W = Masa de ánodos, en kg.
U = Factor de utilización del ánodo 0.85.
Im = Requerimiento de corriente media, en A.
E = Rango de consumo de material anódico, en kg/ A-año.
8.2.4.12 Determinación del número optimo de ánodos - Una vez determinado el número de ánodos para las condiciones: Inicial, media y final, se procede mediante iteraciones (variando las dimensiones del ánodo propuesto y verificando su capacidad de corriente y potencial) a determinar el número de ánodos; de tal manera que los resultados para las tres condiciones anteriores, tiendan a ser iguales.
8.2.4.13 Distribución de ánodos - Los ánodos de sacrificio tienen un radio de acción dentro del cual la protección de la estructura es eficiente, por esta razón una vez calculado el número de ánodos, es necesario repartirlos en la estructura, de manera que se tenga una distribución uniforme y simétrica, se deben colocar ánodos en la cercanía de la zona de conductores y placa base, ver figura 12.1.11 y 12.1.12 de este documento.
8.2.5 Procedimiento de cálculo para el diseño de protección catódica con corriente impresa.
Para el diseño de un sistema de corriente impresa, se deben considerar los puntos siguientes:
Selección de la capacidad de la fuente de energía, la intensidad de corriente es un dato conocido, pues se refiere a la corriente de protección que se ha determinado, por lo general, mediante pruebas de requerimiento de corriente o considerando los valores de la tabla 2.
8.2.5.1 Tensión de salida en el rectificador - El voltaje de salida en el rectificador se calcula con la ecuación:
I R
V= t× ... (30) Donde:
V = Voltaje (CD) de salida del rectificador, (V).
Rt = Resistencia total del circuito, (Ω) I = Intensidad de corriente requerida,(A).
La resistencia total del circuito, Rt es igual a:
h g e c
t R R R óR
R = + + ... (31) Donde:
Rc = Resistencia de los cables del circuito, se calcula conociendo el calibre y longitud de los cables.
Re = Resistencia de contacto a tierra de la estructura por proteger. Su valor puede obtenerse directamente en campo y es igual al cambio de potencial en la estructura, obtenido con la corriente de prueba, dividido entre dicha corriente.
Rg = Resistencia del dispositivo de tierra o cama anódica, puede ser Rv o Rh y es la que tiene mayor influencia en el valor de Rt.
8.2.5.2 Resistencia de un ánodo en posición vertical con relleno
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ −
= ρ 1
d L log8 3 . L 2
00159 .
Rv 0 ... (32)
Donde:
Rv = Resistencia de un ánodo vertical a tierra, en Ω ρ = Resistividad del suelo o material de relleno, en Ω-cm.
L = Longitud del ánodo, m.
d = Diámetro del ánodo, en m.
8.2.5.3 Resistencia de varios ánodos en posición vertical
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ − +
= ρ 2.3log0.656N
S L 1 2 d
L log8 3 . NL 2 00159 .
Rv 0 ... (33)
Donde:
Rv = Resistencia de la cama anódica en posición vertical, conectados en paralelo, en Ω.
ρ = Resistividad del suelo o material de relleno, en Ω-cm.
L = Longitud del ánodo, en m.
d = Diámetro del ánodo, en m.
S = Espaciamiento entre ánodos, en m.
N = Número de ánodos en paralelo.
Nota.-Se deben tomar mediciones de la resistividad del suelo a diferentes profundidades, a fin de localizar la zona de mayor conductividad, en la que deben ser alojados los ánodos.
8.2.5.4 Resistencia de un ánodo en posición horizontal
L 1 L S L S dS
L S L 4 L log4 3 . L 2 0015 . R 0
2 2 2
2 2
h = ρ + + + − + − ... (34) Donde:
Rh = Resistencia de la cama anódica en posición horizontal, conectados en paralelo, en Ω S = Dos veces la profundidad del ánodo, en m.
ρ = Resistividad del material de relleno o del terreno donde se alojara el ánodo, en Ω-cm.
L = Longitud del ánodo, en m.
d = Diámetro del ánodo, en m.
Nota.-Se deben tomar mediciones de la resistividad del suelo a diferentes profundidades, a fin de localizar la zona de mayor conductividad, en la que deben ser alojados los ánodos.
8.2.5.5 Separación entre la estructura por proteger y los ánodos
La separación de los ánodos a la estructura por proteger, debe ser una distancia eléctricamente remota o tierra remota. Esta distancia puede determinarse con una serie de lecturas entre la estructura por proteger y una media celda de Cu/CuSO4 tomadas a intervalos conocidos alejándose de la estructura. En el punto donde ya no se tengan cambios significativos en el potencial, se considera como tierra remota. A menos de que existan causas de fuerza mayor, esta distancia no debe ser menor de 50 m.
8.2.5.6 Capacidad del transformador
La capacidad del transformador se calcula con la siguiente ecuación:
(
kVA)
1000 I .
C= V ... (35)
Donde:
C = Capacidad del transformador, (kVA).
I = Intensidad de corriente (CD) del rectificador (A).
V = Voltaje (CD) del rectificador (V).
8.2.5.7 Caseta - La fuente de energía seleccionada para un sistema de protección catódica, por seguridad, debe contar con una caseta de protección y sus características las debe marcar el proyecto.
8.2.5.8 Subestación eléctrica - Se debe seleccionar, considerando las características de la línea de distribución eléctrica más cercana a la estructura por proteger.
El diseño debe cumplir con 8.4.1 y 8.6.1 de la NRF-048-PEMEX-2003.
El diseño de los sistemas de conexión a tierra debe cumplir con la NRF-070-PEMEX-2004
Una subestación eléctrica tipo poste consiste básicamente de:
a) Transformador.
b) Corta circuitos fusibles de potencia.
c) Apartarrayos.
d) Sistema de tierras.
e) Herrajes y cables.
f) Poste.
8.2.5.9 El sistema en baja tensión debe contar con:
a) Acometida
b) Interruptor termo magnético c) Apartarrayos
d) Sistema de tierra del rectificador.
e) Equipo de monitoreo (horómetro) y registro continuo local, de condiciones de operación.
f) Rectificador 8.3 Materiales
Los materiales usados en los sistemas de protección catódica, deben cumplir con las especificaciones que aquí se indican y con los establecidos en los documentos normativos referidos o citados en esta norma.
8.3.1 Almacenamiento y transporte
Los materiales usados deben ser almacenados a cubierto. En lugares donde el tránsito de personas y vehículos sea mínimo para reducir la posibilidad de daños y donde no puedan ser contaminados por sustancias, que alteren sus condiciones de aplicación.
8.3.2 Materiales para sistemas de ánodos galvánicos
En sistemas de ánodos galvánicos en tierra, se debe usar un material de relleno (ver tabla 8) con las características que a continuación se indica.
Material Peso en porcentaje
Yeso seco en polvo 75
Bentonita seca en polvo 20 Sulfato de sodio anhidro 5 Agua para saturar la mezcla -
Cantidad de relleno por ánodo:
Peso del ánodo Cantidad de relleno
kg (lbs) kg (lbs)
7,72 (17) 13,62 30
14,53 (32) 15,89 35
21,79 (48) 23,61 52
Tabla 8 Características del material de relleno para ánodos galvánicos
8.3.2.1 Ánodos de magnesio - Los ánodos de magnesio usados en sistemas de protección catódica con ánodos galvánicos, deben de cumplir con la NRF-110-PEMEX-2003.
El conductor soldado al ánodo debe ser de cobre electrolítico, sólido (alambre), calibre 12 AWG, con aislamiento de doble forro de polietileno negro de alto peso molecular para 600 V, 75 °C y cubierta negra de PVC.
8.3.2.2 Ánodos de zinc - La composición química de los ánodos de zinc (ver tabla 9), usados en sistemas de protección catódica con ánodos galvánicos, debe de cumplir con lo indicado para una aleación tipo II en la tabla 1 de la especificación ASTM B 418-01, o equivalente, con la exactitud para el zinc que aquí se indica.
a) Composición química:
Elemento Contenido Aluminio (Al) 0,005 máx.
Cadmio (Cd) 0,003 máx.
Hierro (Fe) 0,0014 máx.
Plomo (Pb) 0,003 máx.
Cobre (Cu) 0,002 máx.
Zinc (Zn) Mínimo 99,9856
Tabla 9 Composición química de ánodos de zinc (Valores en porcentaje en peso)
Las propiedades electroquímicas de los ánodos de Zinc deben de cumplir con lo que se indica a continuación, ver tabla 10.
b) Propiedades electroquímicas.
Propiedad Valor
Eficiencia 95 % Mínimo Potencial -1,10 V (Cu/CuSO4) (máx.) Capacidad de drenaje
de corriente 780 A-h/kg (mín).
Tabla 10 Propiedades electroquímicas de ánodos de zinc
8.3.2.3 Ánodos de aluminio - Los ánodos de aluminio usados en sistemas de protección catódica con ánodos galvánicos, deben de cumplir con la NRF-126-PEMEX-2005.
8.3.3 Materiales para sistemas de corriente impresa
Relleno para ánodos inertes - En estos casos se usa como material de relleno carbón de coque pulverizado.
Siempre que se justifique, se puede utilizar materiales diferentes o nuevas tecnologías que demuestren
proporcionar al ánodo mejores condiciones para su operación y seguridad, en los diferentes medios contemplados en esta norma.
8.3.3.1 Ánodos de ferro-silicio-cromo - La composición química de los ánodos de ferro-silicio-cromo ver tabla 11, usados en sistemas de protección catódica con corriente impresa, debe de cumplir con lo indicado para una aleación grado 3 en la tabla 1 de la especificación ASTM A518/A 518M-99, o equivalentes. Esta composición química se indica a continuación.
a) Composición química:
Elemento Contenido
Carbón (C) 0,70 – 1,10 Manganeso (Mn) 1,50 máx.
Silicio (Si) 14,20 – 14,75 Cromo (Cr) 3,25 – 5,00 Molibdeno (Mo) 0,20 máx.
Cobre (Cu) 0,50 máx.
Hierro (Fe) 76.95 – 81.85
Tabla 11 Composición química de ánodos de ferro-silicio-cromo (valores de peso en porcentaje)
Las propiedades de los ánodos de ferro-silicio-cromo ver tabla 12, deben cumplir con lo que se indica a continuación.
b) Propiedades:
Propiedad Valor
Peso específico 7000 kg/m3 ± 0,5%
Consumo
aproximado 0,25 – 1 kg/A-año Densidad de corriente
máxima recomendada
(A/m2) Suelo 60
Tabla 12 Propiedades de ánodos de ferro-silicio-cromo
8.3.3.2 Ánodos de grafito - La composición química y propiedades de los ánodos de grafito ver tabla 13, usados en sistemas de protección catódica con corriente impresa, deben de cumplir con lo indicado a continuación.
