NACE CP 4 Manual (Spanish)

October 3, 2017 | Author: Luchitop Campoverde | Category: Electrochemistry, Electromagnetism, Electricity, Materials, Chemistry
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Course Guide for NACE Cathodic Protection Certificaction Level 4...

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CP 4– MANUAL DEL CURSO CATHODIC PROTECTION SPECIALIST JULIO 2009 © NACE International, 2005

Agradecimientos El tiempo y la experiencia de muchos miembros de NACE Internacional se han volcado en el desarrollo de este curso. Los autores del curso y los que han colaborado para hacer posible este trabajo agradecen su dedicación y esfuerzos. La meta, objetivos pedagógicos y criterios de rendimiento de este Curso fueron desarrollados por el Grupo de Trabajo Cathodic Protection Training and Certification Program, bajo el auspicio del NACE Certification and Education Committee. Un agradecimiento especial para los que se nombran a continuación. En nombre de NACE queremos agradecer a los siguientes miembros, que han sido vitales para el desarrollo y revisión de este programa: Buddy Hutson Steve Bean Joe C. Bowles, Jr. Raul Castillo David Edwards Gerry Garleiser Kevin Garrity Robert Gummow Brad J. Lewis Thomas H. Lewis Ed Ondak Larry Rankin John Schmidt David A. Schramm William H. Thomason

Florida Gas Transmission Company;Maitland, Florida Southern California Gas Company, Los Angeles, California Tellepsen Gas Pipeline Services, Houston, Texas Dow Chemical, Freeport, Texas Santa Fe Pipelines, Rocklin, California Exxon Co. USA, Houston, Texas CC Technologies, Dublin, Ohio CorrEng Consulting Service Inc., Downsview, Ontario Kinder Morgan Energy Partners L.P., Tucson, Arizona LORESCO, Inc., Hattiesburg, MS US DOT Office of Pipeline Safety, Littleton, Colorado Corrpro Companies Inc., Houston, Texas Duke Energy, Houston, Texas Northern Illinois Gas Company, Naperville, Illinois Conoco, Inc. Ponca City, Oklahoma

Este grupo de miembros de NACE ha prestado su estrecha colaboración a los responsables de la elaboración del Curso, que fueron John Fitzgerald, John Wagner, y Walter Young de Corrpro Cos. Inc. Gran parte del material de los cursos fue extraído y depurado a través del tiempo por miembros entre los que se incluyen: Robert A. Gummow, (CorrEng, Downsview, Ontario), James R. Myers (JRM Associates, Franklin, Ohio), Frank Rizzo (FERA Corporation, Houston, Texas), Marilyn Lewis, P.E. (Lewis Engineering, Hattiesburg, MS), Larry Brandon (CorPre Tek, Inc., Hubbardston, MI) y James F. Jenkins, P.E. (Cambria, California).

IMPORTANTE Ni NACE Internacional, ni sus autoridades, directores o miembros aceptan responsabilidad alguna por el uso de los métodos y materiales aquí discutidos. El uso de materiales patentados y copyright no conlleva autorización alguna. La información tiene el fin de asesorar solamente. El uso de métodos y materiales queda bajo la exclusiva responsabilidad del usuario. La traducción de este Curso al idioma español ha sido autorizada por NACE Internacional.

Traducción: María José Albaya. Supervisión: Ing.Héctor C.Albaya, NACE Argentina, Instructor del CP (Cathodic Protection) Program de NACE International. Revisión Apéndice H: Ing. José Alberto Padilla López-Méndez, Instructor del CIP (Coating Inspection Program) de NACE International. Buenos Aires, Revisado Octubre 2005

Todos los derechos quedan reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de este documento, por cualquier medio, sin la expresa autorización del propietario del copyright.

Manual del Curso CP 4–Cathodic Protection Specialist Tabla de Contenidos Introducción Información sobre los Resultados de los Exámenes Información sobre NACE Corrosion Network

Sección 1 Capítulo 1 – Concepto de Protección Catódica Conceptos, Definiciones y Convenciones ........................................................ 1 Protección Catódica ...................................................................................... 1 Energía ............................................................................................................. 2 Diagramas de Pourbaix ................................................................................ 2 Convención de Signos y Polaridad ............................................................... 6 Convenciones con Respecto a la Medición y Registro del Potencial de Electrodo ....................................................................................................... 7 Polarización ................................................................................................. 10 Polarización por Resistencia ................................................................... 12 Polarización de Activación ...................................................................... 12 Polarización por Concentración .............................................................. 15 Polarización en Relación con la Protección Catódica .................................... 17 Factores Relacionados con el Requerimiento de Corriente........................... 19 Superficie .................................................................................................... 19 Respuesta de la Polarización a la Corriente .............................................. 20 Criterios de Protección Catódica, Mantenimiento y Gestión .......................... 21 Criterios de Potencial...................................................................................... 27 Criterios de Potencial de NACE International ............................................. 29 Criterio de Desplazamiento de Polarización ............................................... 30 Criterio E log i .............................................................................................. 31 Criterio de Dirección de la Corriente Estructura/Electrolito ........................ 33 Otros Criterios ............................................................................................. 34 Aluminio ................................................................................................... 34 Cobre ....................................................................................................... 34 Estructuras de Hormigón Reforzado ....................................................... 35 Resumen de Criterios ................................................................................. 35 Consideración de la Caída Óhmica ................................................................ 37 Determinación y Corrección del Error por Caída Óhmica .......................... 37 Electrodo de Referencia Cerca de la Estructura ........................................ 37 Electrodo de Referencia Remoto ................................................................ 38

Reducción de la Corriente por Etapas ........................................................ 40 Uso de Cupones y Sondas ......................................................................... 41

Sección 2 Capítulo 2 – Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica Introducción ...................................................................................................... 1 Ambientales ...................................................................................................... 1 Humedad ....................................................................................................... 1 Textura del Suelo .......................................................................................... 1 pH .................................................................................................................. 2 Temperatura .................................................................................................. 3 Contenido de Oxígeno .................................................................................. 4 Movimiento .................................................................................................... 5 Actividad Microbiológica ............................................................................... 7 Estructura.......................................................................................................... 8 Materiales de Construcción .......................................................................... 8 Posición Electroquímica ............................................................................ 8 Tabla 2.3 Serie galvánica de metales y aleaciones en agua de mar a 25° C ................................................................................................................ 9 Susceptibilidad al Daño por Hidrógeno ................................................... 10 Metales Anfóteros.................................................................................... 12 Resumen del Efecto de los Materiales sobre el Diseño de PC ................. 13 Efectos Combinados de Materiales y Medio .................................................. 14 Corrosión bajo Tensiones ....................................................................... 14 El uso efectivo de la protección catódica reducirá la aparición de la corrosión, especialmente del picado que puede ofrecer sitios donde se inicie la SCC. La SP0169 de NACE aconseja que no se deberían utilizar potenciales más electropositivos que -850 mV CSE, cuando hay sospecha de condiciones que pueden promover o conducir a SCC. ......................... 16 Métodos de Fabricación .............................................................................. 16 Mecánicos ............................................................................................... 16 Soldadura de Fusión ............................................................................... 16 Resumen de los Efectos de la Fabricación sobre el Diseño de PC ........... 17 Continuidad Eléctrica y Resistencia Lineal ................................................. 17 Métodos de Unión ................................................................................... 17 Resistividad ............................................................................................. 17 Resumen del Efecto de la Continuidad Eléctrica sobre el Diseño de la PC .................................................................................................................... 18 Geometría ................................................................................................... 18 Gradientes de Potencial Provenientes de Fuentes y Sumideros de Corriente ..................................................................................................... 19 Estimación de la Corriente Requerida ............................................................ 23 Necesidad ................................................................................................... 23 Requerimientos de Corriente ...................................................................... 23 Ensayos de Campo ..................................................................................... 24 Recubrimientos ............................................................................................... 28 General........................................................................................................ 28

Tipos de Revestimientos ............................................................................. 34 Recubrimientos Orgánicos ...................................................................... 34 Revestimientos Inorgánicos .................................................................... 34 Uso de la Aislación Eléctrica .......................................................................... 35 Cuplas Galvánicas ...................................................................................... 35 Distribución de la Corriente......................................................................... 35 Resumen de los Efectos de la Aislación sobre el Diseño de PC ............... 35 Puesta a Tierra ............................................................................................... 35 Vida Útil Requerida ......................................................................................... 36 Estructuras Existentes ................................................................................ 36 Estructuras Nuevas ..................................................................................... 36 Inspección durante la Construcción ............................................................... 36 Efecto de la Corriente Vagabunda sobre el Diseño de PC ............................ 37 Geología ......................................................................................................... 37 Efecto sobre la Distribución de la Corriente de PC .................................... 37 Relleno (Estructura) ........................................................................................ 38 Efecto sobre la PC ...................................................................................... 38 Estructuras Circundantes ............................................................................... 38 Efecto sobre el Diseño de PC ..................................................................... 38 Accesibilidad ................................................................................................... 38 Efecto sobre el Diseño de PC ..................................................................... 38 Disponibilidad de Corriente AC ...................................................................... 39 Efecto sobre el Diseño de PC ..................................................................... 39 Atenuación ...................................................................................................... 39 General........................................................................................................ 39 Cálculos....................................................................................................... 40 Longitud Eléctrica ........................................................................................... 47

Sección 3 Capítulo 3 – Sistemas de Protección Catódica Sistemas de Ánodos Galvánicos ...................................................................... 1 Concepto ....................................................................................................... 1 Fuente de Energía Electroquímica ............................................................ 1 Ventajas ..................................................................................................... 3 Limitaciones............................................................................................... 3 Propiedades de los Ánodos de Magnesio .................................................... 4 Aleaciones ................................................................................................. 4 FEM ........................................................................................................... 5 Capacidades Amperio Hora ...................................................................... 7 Uso General .............................................................................................. 8 Propiedades de los Ánodos de Zinc ............................................................. 8 Aleaciones ................................................................................................. 8 FEM ......................................................................................................... 10 Uso General ............................................................................................ 11 Propiedades de los Ánodos de Aluminio .................................................... 11 Aleaciones ............................................................................................... 11 FEM ......................................................................................................... 12 Capacidades Amperio Hora .................................................................... 12 Uso General ............................................................................................ 13

Conexiones Anódicas ................................................................................. 13 Conexión Eléctrica .................................................................................. 13 Fuerzas Mecánicas ................................................................................. 13 Rellenos para Ánodos de Sacrificio ............................................................ 14 Aplicaciones Especiales ............................................................................. 14 Sistemas por Corriente Impresa ..................................................................... 15 Concepto ..................................................................................................... 15 Fuente de Energía Externa ..................................................................... 15 Circuito Equivalente ................................................................................ 15 Ventajas ................................................................................................... 16 Limitaciones............................................................................................. 16 Seguridad ................................................................................................ 17 Ánodos - General ........................................................................................ 17 Reacciones Anódicas .............................................................................. 17 Grafito.......................................................................................................... 19 Hierro Silicio-Cromo .................................................................................... 20 Titanio y Niobio Platinizado......................................................................... 22 Mixed Metal Oxide ...................................................................................... 24 Polímeros Conductores .............................................................................. 26 Relleno de Carbón (Coque) ........................................................................ 26 Metalúrgico .............................................................................................. 26 De Petróleo .............................................................................................. 27 Suministro de Energía DC .......................................................................... 29 Rectificadores Convencionales ............................................................... 30 Rectificadores de Corriente y Potencial Constantes............................... 30 Solar ........................................................................................................ 30 Generadores Eólicos ............................................................................... 30 Termoeléctricos ....................................................................................... 31 Protección Anti-Rayos ................................................................................ 31 Cableado y Conexiones Eléctricas ............................................................. 31 Requerimientos ....................................................................................... 31 Métodos de Conexión ............................................................................. 33 Soldadura Exotérmica ............................................................................. 33

Sección 4 Capítulo 4 – Factores y Cálculos de Diseño Factores de Diseño........................................................................................... 1 Datos Disponibles ......................................................................................... 1 Resumen de Datos .................................................................................... 1 Estimación de los Requerimientos de Corriente ....................................... 2 Continuidad Eléctrica ................................................................................ 2 Aislación Eléctrica ..................................................................................... 2 Corrientes Vagabundas ............................................................................. 2 Expectativa de Vida Útil de la Estructura .................................................. 2 Monitoreo y Mantenimiento ....................................................................... 2 Distribución de la Corriente de PC ............................................................ 2 Fuente ....................................................................................................... 2 Seguridad .................................................................................................. 2 Interferencia con Otras Estructuras .......................................................... 3

Consecuencias de los Productos Secundarios de la PC .......................... 3 Aspectos Económicos ............................................................................... 3 Cálculos ............................................................................................................ 3 Requerimientos de Corriente ........................................................................ 3 A Partir de la Superficie Expuesta Estimada ............................................ 3 A Partir de Ensayos en Campo ................................................................. 5 Resistencia Ánodo-Tierra ........................................................................... 10 General .................................................................................................... 10 Dispersor Convencional .......................................................................... 13 Ánodo Vertical ......................................................................................... 15 Resistencia Cátodo-Tierra .......................................................................... 20 A partir de la estimación de las características del revestimiento .......... 20 A Partir de Ensayos de Campo ............................................................... 20 Resistencia Total en el Circuito de DC ....................................................... 21 Resistencia Ánodo-Estructura ................................................................. 21 Otras Fuentes de Resistencia ................................................................. 21 Atenuación de la Corriente ...................................................................... 21 Atenuación en el Sistema Anódico ......................................................... 23 Vida Útil del Sistema ................................................................................... 26 Ánodos de Sacrificio ................................................................................ 26

Sección 5 Capítulo 5 – Ejemplos de Diseños de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras Acero Revestido/Rectificador/Dispersores Convencionales ............................ 1 Descripción ................................................................................................... 1 Enfoque ......................................................................................................... 2 Parámetros Previos a la Construcción ......................................................... 2 Parámetros Posteriores a la Construcción ................................................... 8 Alternativa 2 ................................................................................................ 16 Cálculos del Dispersor ................................................................................ 19 Acero Desnudo/Rectificador/Ánodos Distribuidos ......................................... 27 Descripción ................................................................................................. 27 Análisis ........................................................................................................ 27 Ensayos Post-construcción ..................................................................... 31 Acero Recubierto/Rectificador/Ánodos Profundos ......................................... 35 Descripción ................................................................................................. 35 Análisis ........................................................................................................ 36 Instalación de un Ánodo Profundo .............................................................. 41 Acero Revestido/Magnesio/Ánodos Distribuidos ........................................... 47 Descripción ................................................................................................. 47 Resultados de los Relevamientos .............................................................. 49 Cálculos de Diseño para este Ejemplo ................................................... 51 Hierro Dúctil/Magnesio/Ánodos Distribuidos .................................................. 57 Descripción ................................................................................................. 57 Cálculos....................................................................................................... 58 Acero Revestido/Rectificador/Dispersores Convencionales .......................... 65 Descripción ................................................................................................. 65

Análisis ........................................................................................................ 66 Resumen de los Ejemplos .............................................................................. 73

Sección 6 Capítulo 6 – Ejemplos de Diseño para Tanques y Casings de Pozos Ejemplos de Diseño de Tanques de Almacenamiento Enterrados.................. 1 TAE Nuevo Revestido/Magnesio/Distribuido ................................................ 1 Descripción ................................................................................................ 1 Procedimiento............................................................................................ 2 Tanque de Almacenamiento Enterrado Existente/Rectificador/Distribuido .. 7 Descripción ................................................................................................ 7 Procedimientos .......................................................................................... 7 Ejemplos de Diseño para Fondos de Tanques de Almacenamiento A Nivel 12 Nueva Construcción/Rectificador/Debajo del Tanque ................................ 12 Descripción .............................................................................................. 12 Procedimiento.......................................................................................... 12 Selección del Material Anódico ............................................................... 15 Tanques A Nivel Existentes/Rectificador/Ánodo Profundo......................... 24 Descripción .............................................................................................. 24 Parámetros .............................................................................................. 25 Cálculos ................................................................................................... 26 Cableado de Retorno Negativo ............................................................... 29 Ejemplos de Diseño de Casings de Pozos .................................................... 30 Existente/Solar/Dispersor Superficial ......................................................... 30 Descripción .............................................................................................. 30 Datos ....................................................................................................... 30 Procedimiento.......................................................................................... 30 Requerimientos de corriente y ubicación del ánodo ............................... 30 Dimensión de la Fuente de Energía Solar .............................................. 38 Dispersor ................................................................................................. 40 Existente/Rectificador/Ánodo Profundo ...................................................... 42 Descripción .............................................................................................. 42 Datos ....................................................................................................... 42 Procedimiento.......................................................................................... 43 Diseño del Ánodo .................................................................................... 43 Analizar la Remoticidad del Ánodo ......................................................... 46 Resumen......................................................................................................... 54

Sección 7 Capítulo 7 – Ejemplos de Diseño para Aplicaciones Marinas y Offshore Ejemplos de Diseño para Tuberías Offshore ................................................... 1 Nueva/Pulsera /Zinc ...................................................................................... 1 Descripción ................................................................................................ 1 Datos ......................................................................................................... 1

Cálculos ..................................................................................................... 2 Estimación de la corriente de mantenimiento requerida para la protección catódica ................................................................................... 3 Atenuación ................................................................................................. 4 Existente/Rectificador/Soporte (Sled) ......................................................... 14 Descripción .............................................................................................. 14 Datos ....................................................................................................... 14 Datos de ensayos de protección catódica .............................................. 15 Enfoque ................................................................................................... 16 Cálculos ................................................................................................... 16 Diseño de los Ánodos ............................................................................. 23 Remoticidad ............................................................................................. 25 Fuente ..................................................................................................... 26 Ejemplo de Plataforma Offshore .................................................................... 28 Nuevo/Separado (Stand-off)/Aluminio ........................................................ 28 General .................................................................................................... 28 Descripción .............................................................................................. 28 Requerimientos Específicos del Diseño.................................................. 29 Enfoque ................................................................................................... 30 Superficies ............................................................................................... 31 Corriente Requerida ................................................................................ 31 Peso del Material Anódico....................................................................... 32 Resistencia Ánodo-Estructura ................................................................. 32 Cantidad y Tamaño de Ánodos Requeridos ........................................... 34 Resumen......................................................................................................... 38

Sección 8 Capítulo 8 – Ejemplos de Diseño para Tanques de Agua, Condensadores y Espesadores Ejemplos de Diseño para Tanques de Agua .................................................... 1 Existente/Rectificador/Hierro Silicio .............................................................. 1 Descripción ................................................................................................ 1 Datos ......................................................................................................... 1 Enfoque ..................................................................................................... 2 Cálculos ..................................................................................................... 2 Selección del tamaño de los ánodos principales ...................................... 8 Longitud de la cadena de ánodos para mantener la simetría ................. 10 Ánodos cortos.......................................................................................... 11 Corriente máxima requerida para los ánodos cortos .............................. 15 Cálculos de resistencia ........................................................................... 16 Requerimientos de Energía del Contenedor ........................................... 20 Diseño de los Ánodos para el Tubo de Elevación .................................. 21 Nuevo/Rectificador/Niobio Platinizado ........................................................ 25 Descripción .............................................................................................. 25 Datos ....................................................................................................... 25 Cálculos ................................................................................................... 25 Cálculos de Resistencia .......................................................................... 30 Discusión ................................................................................................. 32

Ejemplos de Diseño para Contenedores ........................................................ 33 Caja de Condensador/Sistema por Corriente Impresa............................... 33 Descripción .............................................................................................. 33 Datos ....................................................................................................... 35 Procedimiento.......................................................................................... 36 Cálculos ................................................................................................... 37 Resumen de las Superficies Expuestas.................................................. 43 Estimación de la corriente requerida para alcanzar los criterios de protección para las superficies expuestas .............................................. 43 Selección de los Ánodos ......................................................................... 44 Mínima Superficie Anódica Activa ........................................................... 44 Velocidad ................................................................................................. 46 Cálculo de las fuerzas que actúan sobre un ánodo tipo jabalina sujeto al arrastre hidráulico .................................................................................... 47 Examinar la Remoticidad de los Ánodos ................................................ 50 Especificaciones y Control del Rectificador ............................................ 53 Ubicación y Tipo de Electrodos de Referencia ....................................... 54 Pequeño Espesador de Producción/Ánodos de Aluminio.............................. 56 Estructura Existente – Poco Revestimiento Protector ................................ 56 Descripción .............................................................................................. 56 Parámetros .............................................................................................. 59 Análisis .................................................................................................... 59 Cálculos ................................................................................................... 59 Resumen......................................................................................................... 62

Sección 9 Capítulo 9 – Acero en Estructuras de Hormigón Reforzado Introducción ...................................................................................................... 1 Estructuras Existentes .................................................................................. 1 Sistemas por Corriente Impresa ............................................................... 1 Sistemas de PC Galvánicos ...................................................................... 7 Estructuras Nuevas ................................................................................... 9 Ejemplos de Diseño para la Protección de Cubiertas de Puentes de Hormigón ........................................................................................................ 11 General........................................................................................................ 11 Requerimientos de Corriente ...................................................................... 12 Ejemplo .................................................................................................... 13 Zonas Anódicas .......................................................................................... 14 Distribución de Energía ............................................................................... 15 Ejemplo – Esquema de un Sistema Anódico con Malla Anódica de Mixed Metal Oxide (Tipo 210) ............................................................................ 17 Tamaño del Rectificador ............................................................................. 21 Cableado DC ............................................................................................... 23 Ejemplos ......................................................................................................... 24 Celdas de Referencia ................................................................................. 25 Resumen......................................................................................................... 27

Apéndices Apéndice A Apéndice B Apéndice C Apéndice D Apéndice E Apéndice F Apéndice G

Apéndice H Apéndice I Apéndice J Apéndice K Apéndice L

Glosario Símbolos Utilizados Comúnmente Datos de Tubos de Acero para Cálculos de Corrosión Conversiones Métricas Usuales para las Unidades Comúnmente Usadas en Publicaciones Relacionadas con la Corrosión Ecuaciones Útiles Procedimiento Típico para el Diseño de la Protección Catódica Tabla I: Ánodos de Magnesio Pre-Empaquetados Tabla II: Ánodos de Zinc Empaquetados para Suelos Tabla IIIA: Ánodos Tubulares de Hierro Alto Silicio Tabla IV: Conductores Concéntricos de Cobre Extruido Aislados y Aptos para Enterrarlos Directamente Tabla V: Especificaciones de Ánodos Comunes de Niobio Platinizado (con centro de cobre) Recubrimientos Protectores - Suplemento Análisis de Redes de Corriente Continua (DC) Obtención de la Tensión de Tracción sobre el Ánodo Standard de NACE RP0169 “Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems” Cuestionarios

Instrucciones para Completar la Planilla de Puntaje/Planilla de Matriculación de Estudiante ParSCORETM 1. Use un lápiz Número 2 2. Complete toda la información siguiente y los círculos correspondientes para cada categoría:

√ √

√ √ √ √ √ √ √ √

Número de ID. TELÉFONO:

ID de Estudiante, ID de NACE o ID Temporal que fue provisto. Su número telefónico. Los últimos cuatro dígitos de este número serán su contraseña para acceder a sus calificaciones vía internet. (por precaución as su privacidad, usted puede elegir cuatro dígitos diferentes para usar en este espacio) APELLIDO: Su apellido. NOMBRE: Su nombre (nombre por el cual lo(a) llaman) I.M.: Inicial media (si la tiene) FORM. EXAMEN: Ésta es la versión del examen que está presentando TEMA: Ésta es la versión del examen que está presentando NOMBRE: _________________(su nombre completo) Materia: _____________(ingrese el tipo de examen que está presentando, por ej., CP Nivel 1) FECHA: ___________________(fecha del examen que está presentando)

3. La siguiente sección del formulario (1 a 200) es para las respuestas a las preguntas de su examen.

• Todas las respuestas DEBEN ser rellenadas en los círculos de la Planilla de TM Puntaje ParSCORE Las respuestas anotadas en el examen NO se contarán. • Si cambia una respuesta en la planilla ParSCORETM, asegúrese de borrarla por completo. • Solo marque un círculo indicando su respuesta por cada pregunta y no llene más respuestas de las que contiene el examen.

INSTRUCCIONES POR INTERNET PARA ACCEDER A LAS CALIFICACIONES NACE tiene la política de no revelar las calificaciones de los estudiantes por teléfono, correo electrónico o fax. Los estudiantes recibirán una carta con su calificación, por correo normal o a través de un representante de la compañía, aproximadamente de 6 a 8 semanas después de haber concluido el curso. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los estudiantes pueden acceder a sus calificaciones a través de la página web de NACE de 7 a 10 días después de que la Oficina Central de NACE haya recibido los exámenes.

Instrucciones para acceder a sus calificaciones en la página web de NACE: Visite: www.nace.org Seleccione:

Education Grades Access Scores Online

Elija el Número de ID de su Curso (Ejemplo 07C44222 o 42407002) en el menú desplegable. Ingrese su ID de Estudiante o ID Temporal de Estudiante (Ejemplo 123456 o 4240700217)*. Ingrese su Contraseña de 4 dígitos (Normalmente, los últimos cuatro dígitos del número telefónico que ingresó en la planilla del examen) Presione el botón Search

Use el espacio siguiente para anotar la información correspondiente a su curso y a su ID de estudiante: ID de ESTUDIANTE__________________CÓDIGO DEL CURSO_________________ CONTRASEÑA (Sólo Cuatro Dígitos) ___________________ *Tome nota que el ID de Estudiante de los miembros de NACE será el mismo que su número de miembro de NACE, a menos de que se le haya asignado un número de ID Temporal de Estudiante para este curso. Para los que se registren directamente a través de la Oficina Central de NACE, el ID de Estudiante aparecerá en la planilla de confirmación del curso, en la lista de estudiantes que tiene el instructor y/o en la tarjeta de identificación con el nombre del estudiante. A los que se registren en cursos In-House, de Concesionarios o de Secciones de NACE, se les asignará un ID Temporal para el curso, con el propósito de que puedan tener acceso a sus calificaciones vía internet. En el caso de los cursos In-House, la información no estará disponible en la página web hasta que recibamos el pago de la compañía organizadora. Al concluir el curso, información con respecto al envío de sus resultados estará disponible en la página web. La tramitación de sus resultados iniciará en cuanto La Oficina Central de NACE reciba sus documentos. Cuando los resultados estén en proceso, la columna de “Status” indicará “Processing”. En cuanto los resultados sean enviados por correo, el estatus será actualizado e indicará “Mailed” y también la fecha de cuando se mandó su carta de resultados será puesta en la última columna. Los cursos están por orden de fecha. Para saber el estatus sobre el envío de su carta de resultados conéctese al siguiente enlace:

http://web.nace.org/Departments/Education/Grades/GradeStatus.aspx Si no ha recibido sus resultados dentro de 2 a 3 semanas después de que la página web indicó la fecha de envío o “Mailed Date” (seria 6 semanas para los que se ubican internacionalmente), o si está teniendo dificultades con el acceso a sus calificaciones vía internet, puede contactarnos en [email protected]

NACE CORROSION NETWORK (NCN) NACE ha creado la Red de Corrosion de NACE, un foro electrónico gratuito y abierto al público. Facilita la comunicación entre profesionales que trabajan en todas los aspectos de la prevención y control de la corrosión. Si se suscribe a la Red de Corrosion de NACE, usted será parte de un foro de discusión abierto por E-mail, sobre temas de la A a la Z en la industria de los recubrimientos. ¿Tiene una pregunta? Pregunte. ¿Tiene la respuesta? ¡Compártala! Algunas veces estas discusiones serán preguntas aisladas, y otras veces habrá debates. ¿Qué necesita para asociarse? Una dirección de E-mail. ¡Eso es todo! Luego:

1.

Para Suscribirse, envíe un e-mail en blanco a: [email protected] Para Desuscribirse, envíe un e-mail en blanco a: [email protected]

3.

¡Listo! Usted recibirá un e-mail de respuesta explicándole cómo participar, pero es tan fácil que podrá hacerlo sin ninguna ayuda.

Introducción

Asistentes (Quiénes Deberían Tomar el Curso) Este curso ha sido preparado y diseñado para quienes deseen convertirse en Especialistas en Protección Catódica Certificados, o para ingenieros que necesiten conocer en detalle la protección catódica y el diseño de sistemas de protección catódica.

Prerequisitos Para tomar este curso de capacitación, los estudiantes deberán cumplir con los siguientes requisitos: Opción 1 • 12 años de experiencia laboral en protección catódica • Título terciario de 2 años de una institución especializada en Matemática o Ciencia/Comercio • Certificación CP 2–CP Technician o equivalente Opción 2 • 6 años de experiencia laboral en protección catódica • Título de 4 años en Física o Ingeniería • Certificación CP 2–CP Technician o equivalente Opción 3 • 4 años de experiencia laboral en protección catódica • Uno de los siguientes: • Título de bachiller en Ingeniería o Física Y un título avanzado en Ingeniería o Física, con examen final • PE, Peng, o equivalente • Certificación CP 2–CP Technician o equivalente

Duración El Curso comienza el día lunes a las 8 de la mañana y concluye el día Sábado alrededor de las 15:30 horas.

Examen El curso finaliza con un examen final escrito.

CP4-Cathodic Protection Specialist Course Manual © NACE International, 2000 10/01/2004

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Introducción

El examen final es a libro abierto y los participantes pueden traer notas, materiales de referencia (por ejemplo, libros, normas, etc.) al salón donde será tomado el examen. El examen final tendrá lugar el día Sábado. Se permite el uso de calculadoras operadas con baterías, que no tengan comunicación con el exterior ni elementos de impresión, aún con teclados alfanuméricos. Computadoras o Equipos de Cálculo con un teclado del tipo QWERTY no serán permitidos. Equipos tales como palm, laptops, computadoras de escritorio, colectores de datos u organizadores de datos no pueden ser utilizados. No será permitido, durante el tiempo de duración del examen, el uso de elementos de comunicación tales como pagers o teléfonos celulares, como así tampoco cámaras de fotos o grabadores. Para aprobar el examen se requiere obtener un puntaje de 70% o más.

Trámite para la Certificación Para obtener la Certificación como Especialista en Protección Catódica (CP-4), se requiere aprobar el examen y la aprobación por parte de NACE del formulario de inscripción.

CP4-Cathodic Protection Specialist Course Manual © NACE International, 2000 10/01/2004

ii

CAPÍTULO 1 Concepto de Protección Catódica

Conceptos, Definiciones y Convenciones Protección Catódica La protección catódica es una técnica que se aplica para reducir la corrosión de una superficie metálica; esto se logra haciendo que esa superficie metálica se convierta en el cátodo de una celda electroquímica. El cátodo de una celda electroquímica es el electrodo en el que tiene lugar la reducción (y en el que no hay corrosión). Antes de aplicar protección catódica, las estructuras que se corroen tienen zonas catódicas y zonas anódicas (donde se produce la corrosión). Por consiguiente, si todas las zonas anódicas pudieran volverse zonas catódicas, toda la estructura se convertirá en un cátodo y se eliminará la corrosión. Definición clásica: Polarización catódica de todas las zonas de potencial noble (cátodos) hasta alcanzar el potencial del sitio más activo (ánodo) de la superficie metálica. La protección catódica se logra haciendo que la estructura se convierta en el cátodo de un circuito de corriente continua, en el que se ajusta la velocidad de circulación de las cargas de manera tal que el potencial polarizado sea igual o más activo (electronegativo) que el sitio anódico más activo sobre la estructura. En el Apéndice A se incluye un glosario, basado en el “NACE International Glossary of Corrosion Related Terms”. Definición Termodinámica: La estructura debe polarizarse catódicamente hasta el potencial de estabilidad termodinámica del metal específico en el medio específico. Esto corresponde a la zona de inmunidad de un diagrama de Pourbaix (pH – Potencial), descrito más adelante en este capítulo. La corriente de protección catódica requerida no será necesariamente la misma para cada una de estas dos definiciones.

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1:2

Energía Diagramas de Pourbaix El concepto de relaciones energéticas es fundamental para el control de la corrosión y la protección catódica. La Figura 1.1 es una versión simplificada de un Diagrama de Pourbaix para el hierro, en el que se relaciona el potencial eléctrico con el pH de un sistema. Este es básicamente un diagrama de energía versus pH, para un determinado elemento y sus compuestos. El diagrama simplificado de la Figura 1.1 presenta tres regiones de estabilidad para el hierro: inmunidad, corrosión y pasivación. Suponiendo pasivación por películas de Fe2O3 Fe3O4 2

-2 -1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 2

1.8

1.8

1.6

1.6

1.4

1.4

b

1.2

O Lín ea d 2 eO OH− xíge no

1 0.8 0.6

E(V)

0.4

(SHE)

0.2

1.2 1 0.8 0.6 0.4

0 -0.2 -0.4

pasivación

a corrosión

0 -0.2 -0.4 H+ Línea de H idróg -0.6 e-0.8 H no

-0.6 -0.8

2

inmunidad

-1 -1.2

corrosión

-1.4 -2

0.2

-1 -1.2 -1.4

-1 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16

pH Figura 1.1 Diagrama de Pourbaix En el diagrama también vemos las líneas punteadas (a) y (b). La línea “a” representa el límite inferior de estabilidad del agua. Son las condiciones de pH y potencial a las cuales los iones de hidrógeno del agua están en equilibrio con el gas hidrógeno a una atmósfera de presión. La ecuación química es:

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H2 → 2H++ 2e–

1:3

Eo = 0.000 - 0.0591 pH

La línea “b” representa el límite superior de estabilidad del agua. En estas condiciones, puede liberarse gas oxígeno desde el agua en un electrodo. La ecuación química es: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-

Eo = 1.228 - 0.0591 pH

Las líneas que delimitan todas las otras regiones del diagrama representan la zona de estabilidad termodinámica de los productos indicados. Los potenciales del diagrama (Figura 1.1) están referidos a un electrodo standard de hidrógeno (SHE). Para obtener esos potenciales con respecto a un electrodo de referencia saturado de cobre/sulfato de cobre, reste 0.316 voltios (316 mV) del potencial SHE. Nótese que el área de estabilidad para la inmunidad está alrededor de los -0.60 voltios para pHs entre –2 y 9. Si el pH es mayor que 9, la línea se hace paralela a la línea de equilibrio de la evolución de hidrógeno (Línea a). La verdadera protección catódica “termodinámica” requeriría entonces que el potencial del hierro fuera mantenido igual o más negativo que la línea que delimita la región de estabilidad del hierro. En el diagrama de Pourbaix, la región (o dominio) entre las líneas “a” y “b” es la zona en la que el agua es estable. A potenciales más negativos que la Línea “a”, los iones hidrógeno se reducen a gas hidrógeno. Toda la región de estabilidad del hierro es más negativa que la Línea “a”. La protección catódica “termodinámica” del hierro no es posible si no existe la posibilidad de reducir al menos algunos iones hidrógeno en la superficie metálica. Los criterios de protección catódica más usados no exceden los potenciales de evolución de hidrógeno, a menos que el pH esté por debajo de 9. El diagrama de Pourbaix sugiere que la corriente necesaria para proteger el hierro (u otros metales) debe ser suficiente como para mantener el potencial del metal al menos tan electronegativo como la región de estabilidad del metal, para un pH determinado. En los diagramas de Pourbaix del Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions (Atlas de Equilibrios Electroquímicos en Soluciones Acuosas), de Marcel Pourbaix, disponible en NACE International, hay más detalles. La corrosión tiene lugar cuando los átomos metálicos ceden electrones, que provocan el flujo de electrones (flujo negativo de corriente) alejándose de la zona, e iones positivos (productos de la corrosión). El objetivo de la protección catódica consiste en forzar a toda la estructura a actuar co-

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1:4

mo cátodo, de manera que no haya potencial eléctrico que genere la reacción electroquímica y, por lo tanto, no haya corrosión. La aplicación de corriente continua a una estructura metálica que se corroe, puede hacer que ésta se vuelva completamente catódica. La Figura 1.2 muestra la corriente continua asociada con el proceso de corrosión en una tubería metálica enterrada o sumergida.

I Cátodo

Ánodo

Figura 1.2 Celda de Corrosión Enterrada Los iones positivos, en forma de productos de la corrosión, pasan de las zonas anódicas al medio. Al mismo tiempo, otros iones positivos presentes en el medio captan electrones provenientes de la superficie metálica en el cátodo de la celda. A medida que se neutralizan (reducen) los iones positivos en el cátodo, los iones negativos se mueven desde las inmediaciones del cátodo hacia el ánodo. Los iones, tanto negativos como positivos, están involucrados en el proceso de transferencia de cargas. A partir de allí, la corriente circula de regreso a través del mismo metal para completar el circuito. Para un potencial impulsor determinado (el potencial a circuito abierto entre ánodo y cátodo), la cantidad de corriente está limitada por factores como la resistencia del medio (concentración de los iones presentes en el electrolito) y el grado de polarización en las zonas anódicas y catódicas. La Figura 1.3 muestra un circuito eléctrico equivalente para una celda de corrosión simple. La polarización es una función de la densidad de la corriente de corrosión, i.

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Cátodo

Resistencia Paso Metálico RM

1:5

E c,oc

ΔEc,p



I

Resistencia Electrolito

corr

RE

Ánodo E

a,oc

ΔEa,p

E a,p & E

c,p

f(i)

Figura 1.3 Circuito Eléctrico Equivalente para una Celda de Corrosión Simple Las polaridades que se muestran en los símbolos Ec,oc y Ea,oc representan la polaridad del metal con respecto al electrolito en los sitios anódicos y catódicos. La diferencia de potencial total entre el potencial a circuito abierto de ánodo y cátodo, que constituye el potencial impulsor de la corrosión, hace que el cátodo sea positivo con respecto al ánodo, como vemos en la Figura 1-2. Las polaridades que se muestra en los símbolos de los potenciales de polarización, Ec,p y Ea,p, representan la polaridad de los efectos de la polarización. Los potenciales de polarización son opuestos a los potenciales del cátodo y el ánodo que constituyen la celda. El resultado de la polarización es reducir la diferencia de potencial total entre el ánodo y el cátodo de la celda de corrosión. La Figura 1-4 muestra la forma básica en que se aplica la protección catódica. La sección del tubo, originalmente en corrosión, de la Figura 1-2 se convierte en cátodo. La corriente de protección catódica debe pasar al medio desde un ánodo de protección catódica (generalmente llamado dispersor en la protección catódica bajo tierra) instalado para este fin. Por definición, los materiales usados en un dispersor son ánodos, y la conversión de la corriente eléctrica en iones positivos tiene lugar en el dispersor.

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1:6

Lecho de Ánodos (Dispersor) Corriente de Protección

+ Fuente de Corriente Continua (DC)



Tubería (cátodo)

Figura 1.4 Protección Catódica de una Tubería Enterrada

Convención de Signos y Polaridad Para evitar confusiones, es necesario adoptar una convención de signos standard para los circuitos eléctricos. La convención de signos se basa en asumir que el movimiento de cargas es positivo. Cuando se asigna la dirección a la corriente, nos basamos en la suposición de que los transportadores de cargas son positivos. Esta suposición se conoce con el nombre de corriente convencional. La dirección de la corriente convencional es opuesta a la dirección del flujo de cargas negativas. Usaremos siempre la corriente convencional, a menos que se especifique de otra manera. Teniendo en cuenta esta convención para la dirección de la corriente, pueden aplicarse dos reglas para establecer la polaridad del potencial. Estas reglas sólo se aplican a circuitos externos a la fuente de energía. •

REGLA 1: La dirección convencional (positiva) de la corriente es desde el terminal de voltaje positivo de un dispositivo productor de energía, o “fuente”.



REGLA 2: La dirección de la corriente convencional (positiva) es hacia el terminal de voltaje positivo de un dispositivo que consume energía, o “carga”.

Las convenciones de signos y polaridad se muestran en la Figura 1.5.

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1:7 CORRIENTE CONVENCIONAL

FUENTE DE ENERGÍA



+



+

+

CARGA

CORRIENTE CONVENCIONAL

– CARGAS NEGATIVAS

Figura 1.5 Convención de Signos y Polaridad Las resistencias son ejemplos de dispositivos que consumen energía. La energía se consume produciendo calor. En el ámbito de la corrosión, algunos ejemplos de elementos resistivos de circuitos son: cables, resistencia ánodo-a-tierra, resistencia tubería-a-tierra y resistencia lineal de la propia tubería. Las fuentes de energía transforman algún tipo de energía en energía eléctrica dentro del propio dispositivo. Algunos ejemplos de fuentes de energía usadas en protección catódica son: rectificadores, suministros de energía solar, baterías, celdas de corrosión y sistemas de ánodos galvánicos.

Convenciones con Respecto a la Medición y Registro del Potencial de Electrodo Dos electrodos, constituidos por un elemento metálico rodeado de un electrolito continuo y conectados mediante un conductor eléctrico, constituyen una celda galvánica. Los electrodos pueden estar inmersos en un mismo electrolito, o los electrolitos pueden ser químicamente diferentes pero tener una frontera en común. Cada uno de los electrodos, junto con el electrolito que lo rodea, recibe el nombre de hemi-celda. De hecho, una estructura metálica en contacto con el suelo u otro electrolito es una hemicelda, aún cuando pueda haber muchas celdas localizadas (ánodos y cátodos) sobre la superficie metálica. Para poder medir el potencial de hemi-celda de la estructura, se requiere una segunda hemi-celda con un potencial de hemi-celda estable y conocido. El potencial de la estructura medido con respecto a la hemi-celda de referencia, constituye la información deseada. A fin de registrar correctamente una medición de potencial de hemi-celda, se requieren cuatro componentes: polaridad, magnitud, unidad de medición y referencia. Por ejemplo, "–0.850 voltios CSE" significa “un valor negativo de 0.850 en unidades de voltios medido con respecto a una celda de referencia de cobre/sulfato de cobre (CSE)." Si falta cualquiera de

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los cuatro componentes en la medición de potencial, se pueden suscitar confusiones. Todos los potenciales de hemi-celda deben medirse con respecto a una referencia o standard, como la referencia de cobre/sulfato de cobre (CSE). Por lo tanto, siempre es necesario registrar la referencia que se usó para medir el potencial de hemi-celda. Por ejemplo, el potencial de protección medido en una tubería de acero enterrada podría registrarse como –0.850 voltios "relativos a una referencia de cobre/sulfato de cobre (CSE)." Generalmente, este potencial se registra como –0.850 voltios "tubo-suelo." (ó “tubo-suelo”) Si bien éste puede no ser el mejor método para registrar este potencial, en el ámbito de la corrosión es sabido que “tubo-suelo” en realidad significa “el potencial del tubo con respecto a una referencia de cobre/sulfato de cobre en contacto con el suelo." La Tabla 1.1 ofrece una lista de los electrodos de referencia más comunes, con sus potenciales de hemi-celda standard y sus factores de conversión. Tabla 1.1 Potenciales Standard de las Referencias Más Comunes y sus Factores de Conversión1 PO TEN C IALE S D E R EFER EN C IA Electrodo

Po tencial (V) @ 25°C E0

C oef.T em p. (m V/°C )

H 2 /H + (SHE)

0.00 0

+0.87

Ag / Ag Cl /1M KCl

+0.235

+0.25

Ag /Ag Cl /0.6M KC l

+0.25

(agua de m ar) Ag/AgC l /0.1M KC l

+0.288

+0.22

Hg/Hg2 Cl 2 /sat.KC l(SCE)

+0.241

+0.22

Hg/Hg 2 Cl2 /1M KC l

+0.280

+0.59

Hg/Hg 2 Cl 2 /0.1M K Cl

+0.334

+0.79

Cu/CuSO4 sat

+0.316

+0.90

En todos los casos, el potencial de interés es el potencial de un electrodo determinado con respecto a una referencia específica a 25oC. Nótese que el potencial de interés no es el potencial de la referencia con respecto a 1

NACE Corrosion Engineer’s Reference Book, Second Edition, R. S. Treseder – Editor, NACE Interational, Houston, TX

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1:9

una determinada hemi-celda. A primera vista, puede parecer que estos dos potenciales son exactamente iguales, pero no lo son; si bien ambos tienen la misma magnitud, un potencial es igual al otro potencial, pero negativo. Por lo tanto, para poder registrar el potencial de interés con la polaridad correcta, debe registrarse como el potencial del electrodo de interés con respecto a una determinada referencia. Para medir el potencial de la hemi-celda de interés con respecto a una referencia específica, la referencia debe estar conectada al terminal negativo del voltímetro, de manera que el display del instrumento muestre la polaridad correcta. De hecho, muchos voltímetros tienen la indicación “common” (común) o “reference” (referencia) en el terminal negativo. Como la mayor parte de los displays de los voltímetros digitales pueden indicar un valor negativo o positivo, no resulta difícil conectar la referencia siempre al terminal negativo. Sin embargo, dado que la mayor parte de los displays analógicos sólo pueden indicar un valor positivo sobre la escala, al conectar la referencia siempre al terminal negativo, la aguja intentará moverse hacia valores negativos si el valor de la medición es negativo. Como la aguja no puede moverse hacia valores negativos, en estos casos hay que conectar el cable de la referencia al terminal positivo del voltímetro para poder determinar la magnitud del potencial, y luego registrar el valor como negativo. Véase la Figura 1.6. Voltímetro .900 v

+

_

El display del medi dor da una lectura positi va.

Voltímetro

Registre un pot enci al C/S negati vo.

-.900 v

+

_

Celda de

El display del medi dor da una lectura negati va. Registre un potenci al C/S negati vo.

Referencia Celda de Referencia

Electrolyte Electrolito

Electrolyte Electrolito Pipe Tubo

Pipe Tubo

Figura 1.6 Medición del potencial tubo-suelo En resumen, al usar un medidor digital capaz de mostrar valores tanto positivos como negativos, al conectar la referencia al terminal negativo, el display mostrará la polaridad correcta a registrar. Al usar medidores digitales que sólo pueden mostrar valores positivos sobre la escala, conecte la referencia al terminal necesario como para producir una medición positiva en la escala. Si para esto hay que conectar la referencia al terminal positivo, debe registrarse la medición con una polaridad negativa.

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1:10

Asumiendo la corriente convencional y los potenciales registrados como el potencial del electrodo de interés versus el de una referencia determinada, el signo de todas las polaridades estará de acuerdo con la política de registro de la International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada), conocida como la Convención de Estocolmo.2 Este standard de registro también es la convención de signos generalmente usada en corrosión. Recuerde que el flujo de electrones va en dirección opuesta al flujo de la corriente convencional.

Polarización A medida que la circulación de corriente continúa en el tiempo, tiene lugar la polarización tanto en el ánodo como en el cátodo. La polarización reduce la diferencia de potencial entre las zonas anódicas y catódicas, por lo que, de acuerdo con la Ley de Ohm, disminuye la corriente, I, y se reduce la velocidad de la corrosión, hasta que se alcanza un equilibrio entre los efectos polarizantes y despolarizantes. Entre los despolarizadores se incluye: • • • • •

oxígeno disuelto cambios en la concentración de iones flujo de agua temperatura bajo pH.

La polarización siempre se opone al flujo de corriente que la provoca. Cuando el ánodo y el cátodo de una celda de corrosión están conectados, circula corriente entre ambos. Esta corriente hace que el potencial del ánodo se acerque al del cátodo, y que el potencial del cátodo se aproxime al potencial del ánodo. La diferencia de potencial entre los electrodos polarizados se reduce hasta alcanzar un potencial mixto de estado estacionario (EM), cuando el efecto polarizante de la corriente está balanceado exactamente por los efectos despolarizantes externos. El potencial mixto está en algún punto entre los potenciales polarizados de los dos electrodos. La diferencia entre los potenciales polarizados de ánodo y cátodo constituye el potencial impulsor de la celda de corrosión. En este estado estacionario, la corriente se define como la corriente de corrosión (Icorr) del sistema. El diagrama de polarización o diagrama de Evans de la Figura 1.7, ilustrará mejor el concepto de polarización en una celda de corrosión.

2

David J. G. Ives and George J. Janz, ea., Reference Electrodes: Theory and Practice, (New York: Academic Press, 1961), p. 26 - 28.

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+ P o t e n c i a l

_

Ec,oc

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densidad de la corriente de intercambio en el cátodo

E c,p Ecorr

E a,p densidad de la corriente de intercambio en el ánodo

Ea,oc

I corr

log densidad de corriente Figura 1.7 Diagrama de Polarización (Evans) para una Celda de Corrosión Los potenciales de los electrodos antes de la circulación de corriente se conocen con el nombre de potenciales a circuito abierto. Estos potenciales (Ec,oc y Ea,oc) son los potenciales del cátodo y del ánodo antes de estar conectados (en cortocircuito o a circuito cerrado). A circuito abierto, la única corriente que circula de o hacia un electrodo es la corriente de intercambio. La corriente de intercambio es la velocidad a la que las cargas, tanto negativas como positivas, ingresan o abandonan la superficie cuando el electrodo alcanza el equilibrio dinámico dentro de un electrolito. En condiciones de equilibrio, no hay una circulación neta de corriente en el electrodo. La magnitud de la densidad de la corriente de intercambio está en función del material del electrodo y del electrolito, y generalmente es pequeña. Se dan ejemplos de estos valores en la Tabla 1.3, en Polarización de Activación. En términos generales, la polarización está relacionada con el agotamiento de reactivos y la acumulación de productos de la reacción. Cualquier factor que favorezca la acumulación de productos o el agotamiento de reactivos, aumentará la polarización. Por el contrario, cualquier factor que produzca la eliminación de productos de la reacción o que reponga los reactivos, reducirá la polarización. Existen tres tipos de polarización electroquímica: por resistencia, de activación y por concentración.

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Polarización por Resistencia La polarización por resistencia, también llamada caída óhmica en el suelo, es muy similar al concepto de resistencia en un circuito electrónico. La transferencia de cargas en un electrolito se lleva a cabo a través de los iones presentes en la solución. A mayor cantidad de iones, de cualquier tipo, más fácil será la transferencia de cargas y menor la magnitud del campo eléctrico producido por la transferencia de cargas. La diferencia de potencial en el electrolito y a través de la capa límite generadas por la transferencia de cargas (equivalente al flujo de corriente a través de una resistencia) recibe el nombre de polarización por resistencia. La polarización por resistencia es importante porque pasa a formar parte de la caída óhmica, que debe tenerse en cuenta al medir el potencial de una estructura con respecto a una celda de referencia. Desde el punto de vista matemático, la polarización por resistencia está dada por la siguiente ecuación, que es básicamente la ley de Ohm.

ηr = IR p

Ec. 1.1

donde: ηr I IRp

= polarización por resistencia (voltios) = corriente que circula en la celda (A) = la resistencia incluida en la medición (ohmios)

Para una revisión más completa del concepto de polarización por resistencia, véase “Electrochemical Kinetics Theoretical and Experimental Aspects”, de Klaus J. Vetter, Academic Press, Nueva York, Londres, 1967, pp 385-395.

Polarización de Activación La polarización de activación está causada por los factores retardantes inherentes a la propia reacción. Tomemos como ejemplo la evolución de gas hidrógeno en el cátodo. La velocidad a la cual los iones hidrógeno se reducen a gas hidrógeno está en función de varios factores, entre los cuales se incluye la velocidad de transferencia de electrones al ion hidrógeno en la superficie metálica. Por lo tanto, la velocidad es inherente a esta reacción y depende del metal y de la temperatura del sistema. De hecho, existen grandes variaciones en la capacidad de cada metal de transferir electrones a los iones hidrógeno y, por lo tanto, la velocidad de evolución de hidrógeno varía en gran medida en función de las diferentes superficies metálicas.

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La polarización de activación suele predominar en electrolitos en los que abundan los reactivos y/o en electrolitos en los que los productos de la reacción son removidos rápidamente. La ecuación que representa la polarización de activación es:

η a = ±β log

i Ec. 1.2

i0

donde: ηa β i i0

= polarización de activación (voltios) = constante de Tafel (voltios) = densidad de corriente en la superficie del electrodo (A/m2) = densidad de la corriente de intercambio (A/m2)

La Figura 1.8 muestra un gráfico de la polarización de activación en un cátodo, con una densidad de corriente de intercambio de 1.0 x 10–6 A/cm2 y una β (pendiente) de –120 mV/década de la corriente. 0.000 Ec,oc -0.100

Potencial, V

-0.200 -0.300 -0.400 -0.500 -0.600 -0.700 -7.000

-6.000

-5.000

-4.000

-3.000

-2.000

-1.000

0.000

Log i

Figura 1.8 Gráfico de la Polarización de Activación para una Reacción de Reducción

Recuerde que: log xn = n log x Por ejemplo, log 10–2 = –2 log 10 = –2 (1) = –2 En esta ecuación, conocida como ecuación de Tafel, la constante de Tafel (pendiente de la línea) es positiva si la corriente convencional circula del

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electrodo hacia el electrolito; es decir, cuando se produce oxidación sobre la superficie y el sitio es anódico. El potencial de polarización se mueve en dirección positiva con el aumento de la densidad de la corriente en la superficie del electrodo. En cambio, la constante de Tafel es negativa cuando la corriente convencional circula del electrolito hacia el electrodo. En este caso, la reducción está ocurriendo en la superficie. El valor de la constante de Tafel varía según la reacción electroquímica, la composición química del electrolito y la superficie del electrodo. La Tabla 1.2 ofrece varios ejemplos de valores de la constante de Tafel. Tabla 1.2 Ejemplos de Constantes de Tafel para la Evolución de Hidrógeno a Partir de Soluciones Acuosas3

Metal

Electrolito

Temp. (°C)

β (mV)

Ni Ni Cu Cu Fe Fe

0.01N HCl 0.001N NaOH 0.01N HCl 0.02NNaOH 0.01N HCl 0.01 N NaOH

20 20 20 20 20 20

– 91 –103 –122 –114 –118 –117

La densidad de la corriente de intercambio también está en función de la reacción electroquímica, de la composición química del electrolito y de la superficie del electrodo. Su valor indica la facilidad con que puede ocurrir una reacción determinada. Cuanto mayor sea este valor, más fácilmente tendrá lugar la reacción. La Tabla 1.34 muestra las densidades de corriente de intercambio para la evolución de hidrógeno en ácido sulfúrico diluido. El –log i0 para la evolución de hidrógeno en hierro en 0.01N HCl es de 6.29 A cm -2 y de 6.62 A cm -2 en 0.01N NaOH.

3

Data after Parsons, Handbook of Electrochemical Constants, Butterworths, London (1959) 4 L. L. Shreir, Corrosion, Volume 2, Newnes – Butterworth, London (1976)

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Tabla 1.3 Densidades de la corriente de intercambio (i0) para la evolución de hidrógeno en aproximadamente 1 mol/dm3 H2SO4

I0 [A cm–2]

Metal

8 x 10-4 6.3 x 10-6 6 x 10-9 1 x 10-12 5 x 10-13

Pt Ni Ti Pb Hg

–log i0 [A cm–2] 3.1 5.2 8.2 12.0 12.3

Polarización por Concentración La polarización por concentración se refiere al retardo de una reacción electroquímica debido a las variaciones de concentración en la solución adyacente a la superficie metálica. Si tomamos como ejemplo la reducción del ion hidrógeno, y asumimos que la concentración de iones hidrógeno en la solución es relativamente baja y que la reacción procede a una velocidad bastante rápida, la región muy próxima a la superficie metálica se agotará de iones hidrógeno a medida que éstos son consumidos por la reacción catódica. En estas condiciones, la reacción está controlada por la velocidad de difusión de los iones hidrógeno hacia la superficie metálica donde tiene lugar la reacción. La polarización por concentración generalmente predomina en electrolitos donde la concentración de reactivos es baja, como en las soluciones diluidas, o en electrolitos en los que hay acumulación de productos de reacción, como los medios estancados. La ecuación de la polarización por concentración es: η c = 2 .3

donde: ηc R T n F iL I

(i − i) RT log L nF iL

Ec. 1.3

= polarización por concentración (voltios) = constante universal de los gases (1.98 cal/gm. equiv.,°K) = temperatura absoluta (°K) = número de electrones involucrados en la reacción = constante de Faraday (96,500 coulombs/equiv.) = densidad de corriente limite difusional (A/cm2) = densidad de corriente desde/hacia la superficie (A/cm2)

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Observando esta ecuación, es evidente que una densidad de corriente límite muy alta resultará en una polarización por concentración mínima. La Figura 1.9 muestra el efecto de la densidad de corriente límite de difusión sobre la polarización. 0.010

Potencial, V

0.000 -0.010 -0.020

iL = 0.0030725 A/cm2

-0.030 -0.040 -0.050 -0.060 0.000001

0.00001

0.0001

0.001

0.01

Densidad de Corriente, A/cm2

Figura 1.9 – Gráfico que muestra el efecto de la densidad de corriente sobre la polarización por concentración iL = 0.0030725 A/cm2

La Figura 1.10 muestra los efectos combinados de la polarización de activación y por concentración. 0.000 -0.050

Potencial, V

-0.100 -0.150 -0.200 -0.250 -0.300 -0.350

iL = 0.0030725 A/cm2

-0.400 -0.450 -0.500 0.000001

0.00001

0.0001

0.001

0.01

Densidad de Corriente, A/cm2

Figura 1.10 Efecto combinado de la polarización de activación y por concentración, iL = 0.0030725 A/cm2

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Polarización en Relación con la Protección Catódica La protección catódica incluye polarización. Recordemos que la polarización es un cambio del potencial debido al flujo de corriente. A medida que la corriente circula desde el electrolito hacia el metal, ocurren reacciones de reducción. Los productos de estas reacciones modifican la composición química del electrolito en la interfase estructura/electrolito. La diferencia química y el consecuente cambio de potencial en la interfase reciben el nombre de polarización. Cuando se interrumpe la corriente de protección catódica, la polarización se disipa en forma similar a la disipación de voltaje en un capacitor. A medida que la estructura se polariza, su potencial se desplaza en dirección negativa. La polarización se da por etapas, los sitios más positivos o catódicos son los primeros en polarizarse. A medida que el potencial de los primeros sitios catódicos iguala al de los otros sitios, la polarización comienza en estos últimos. La ilustración simplificada de la Figura 1.11 puede aclarar este punto. Potenciales Estáticos P O L A R I Z A C I Ó N

-.6

-.65

-.6

-.7

-.58

-.58 -.6

-.65

-.6

-.7

-.58

-.6

-.65

-.6

-.7

-.6

-.65

-.65

-.7

-.65

-.5

-.6

-.65 -.65

Corrosión -.7 -.7 -.7 -.7 -.7 -.7 Mitigada Figura 1.11 Polarización de una Estructura

Para detener la corrosión, todos los sitios catódicos existentes deben polarizarse en dirección electronegativa hasta un potencial igual al del potencial a circuito abierto más negativo que haya sobre la estructura. La polarización de una estructura se logra mediante la aplicación de una corriente externa, cuya magnitud depende del comportamiento de polarización catódica. Más adelante se hablará de los factores que afectan el re-

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querimiento de corriente para la protección catódica adecuada de una estructura. El siguiente diagrama de Evans en la Figura 1.12 representa la polarización del cátodo hasta el potencial a circuito abierto del ánodo de una celda de corrosión en una estructura, usando un ánodo de protección catódica. La polarización de los cátodos hasta el potencial a circuito abierto de los ánodos es el verdadero criterio para eliminar la corrosión. Sin embargo, a los efectos prácticos, es imposible determinar el potencial a circuito abierto del sitio anódico más activo. Como las celdas de corrosión son generalmente microscópicas y los potenciales medidos son potenciales de corrosión, las mediciones iniciales probablemente serán un promedio de los potenciales de corrosión de varias celdas de corrosión. Por lo tanto, se han desarrollado distintos criterios sustitutos, de los que hablaremos más adelante, para poder alcanzar el criterio verdadero.

+

El cátodo se p olariza hacia el potencial a circuito abierto del ánodo, lo que resulta en la reducción de la corriente de E corrosión .

E c,oc

c,p

E

E corr Ea,cp

Ea,p

E a,oc

E c,cp Reducción de la corriente de corrosión

_ I corr,cp

I corr,p

I

cp

Log i Figura 1.12 Polarización del Cátodo al Potencial del Sitio Anódico Más Activo

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Factores Relacionados con el Requerimiento de Corriente La cantidad de corriente requerida para suministrar una protección adecuada depende de la superficie a proteger y del comportamiento de polarización de la estructura en su medio. En este curso aparecerá muchas veces el tema de requerimiento de corriente y criterios.

Superficie En un determinado medio, el requerimiento de corriente es directamente proporcional a la superficie: a mayor superficie para proteger, mayor requerimiento de corriente. Por ejemplo, una estructura revestida requiere menos corriente que una estructura desnuda, ya que la primera sólo necesita corriente de protección en los defectos del revestimiento (holidays). Para tomar un ejemplo real, consideremos los siguientes cálculos en base a un revestimiento imperfecto.

Datos: Dimensiones de la tubería OD (Diámetro Externo) de la Tubería Eficiencia del revestimiento

Densidad de corriente requerida (en función del medio)

Longitud = 16,100 metros (10 millas) 21.90 cm (8.625 pulgadas) 98% (porcentaje de superficie completamente protegida por el revestimiento) i = 32mA/m2 (3 mA/ft2)

Cálculos: Superficie:

AS = πdL

donde: AS d L AS AS

= Superficie de la Tubería = OD de la Tubería (m) = Longitud de la Tubería (m) = π(0.2190m)(16100m) = 11,100m2

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Ec. 1.4

Concepto de Protección Catódica

Corriente Requerida donde: I AS I I

1:20

I = i AS

= Requerimiento de corriente (superficie desnuda) = superficie (m2) = (0.032A/m2)(11,100m2) = 355 A

Requerimiento de corriente (superficie revestida) I = i AS %superficie desnuda I = (0.032A/m2)(11,100m2)(0.02) I = 7.1 A

Respuesta de la Polarización a la Corriente En el caso de una celda de corrosión, un aumento de polarización es deseable, ya sea anódica, catódica o ambas, ya que reduce la corriente de corrosión. Para un sistema de protección catódica, cualquier factor que tienda a despolarizar la superficie metálica aumentará la demanda de corriente de protección catódica.

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Criterios de Protección Catódica, Mantenimiento y Gestión En un electrolito continuo, la polarización del cátodo en dirección electronegativa puede mitigar la corrosión. La corrosión se detendrá por completo cuando los cátodos se polaricen a un potencial igual o más negativo que el del ánodo más negativo sobre la superficie metálica a proteger. También sabemos que muchos factores influyen sobre la velocidad de la corrosión, y por ende, sobre la corriente requerida para alcanzar la protección catódica. Los factores más importantes están listados en la Tabla 1.4. Tabla 1.4 Factores que Afectan la Corriente Requerida para Alcanzar la Protección Catódica

Factores que Afectan el Requerimiento de Corriente Superficie Humedad pH del medio ambiente Temperatura Grado de Aireación del Medio Movimiento Relativo en la Interfase Metal/Medio (por ej., vibración y agitación) Actividad Microbiológica Aleación del Metal

El verdadero criterio para alcanzar la protección catódica completa es el potencial del sitio anódico estático más negativo sobre la estructura a proteger. Lamentablemente, este potencial (Ea,oc) no puede medirse ni calcularse con precisión. Además, variará de magnitud y ubicación en función del tiempo y de las condiciones del medio. Se han desarrollado varios criterios alternativos, algunos de los cuales podemos ver en la Tabla 1.5.

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Tabla 1.5 Tipos de Criterios de Protección Catódica

Tipos de Criterios de PC Potencial Desplazamiento por Polarización E-log i Dirección de la Corriente Estructura/Electrolito Cada uno de estos criterios tiene ventajas y limitaciones que el ingeniero de corrosión deberá considerar cuidadosamente para lograr el nivel deseado de protección catódica. Existen variantes de estos criterios, y no hay un acuerdo universal acerca de su validez o efectividad. NACE International ha desarrollado normas para la protección catódica de sistemas metálicos enterrados o sumergidos, superficies internas de tanques de almacenamiento de agua, estructuras de hormigón reforzado anivel, plataformas offshore y varios equipos de procesamiento especializados. La Tabla 1.6 ofrece una lista de los standards de NACE disponibles. Éstos incluyen los criterios aplicables a determinados tipos de estructuras y medios. La norma “Automatically Controlled, Impressed Current Cathodic Protection for the Interior of Steel Water Tanks” de la American Water Works Association (AWWA) D104 especifica un criterio de –850 a –1050 mV de potencial polarizado con respecto a un electrodo de cobre-sulfato de cobre. La Práctica Recomendada 651 del American Petroleum Institute, API, “Cathodic Protection of Aboveground Petroleum Storage Tanks”, se refiere al NACE Standard SP0169 para la protección catódica externa y al NACE Standard SP0575 y SP0388 para la protección catódica interna. Esta norma suministra información adicional. La Práctica Recomendada 1632 del API, “Cathodic Protection of Underground Petroleum Storage Tanks and Piping Systems”, incluye criterios similares a la NACE Standard SP0285.

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Tabla 1.6 Normas Internacionales de NACE para la Aplicación de Protección Catódica

SP0169

SP0176

RP0180 RP0186 RP0193

RP0196

SP0285

SP0290

SP0388

SP0575

Control de la Corrosión Externa en Sistemas de Tuberías Metálicas Enterradas o Sumergidas Control de la Corrosión para Plataformas Offshore Fijas Asociadas con la Producción de Petróleo Protección Catódica de Sistemas de Tratamiento de Efluentes en la Industria del Papel Aplicación de Protección Catódica para Well Casings (Tubos Camisa de Pozos) Protección Catódica Externa de Fondos de Tanques de Almacenamiento Metálicos A Nivel (AST) Protección Catódica con Ánodos Galvánicos de Superficies Internas de Tanques de Acero para el Almacenamiento de Agua Control de la Corrosión en Sistemas de Tanques de Almacenamiento Enterrados Mediante Protección Catódica Protección Catódica de Acero Reforzado en Estructuras de Hormigón con Exposición Atmosférica Protección Catódica Por Corriente Impresa en Superficies Sumergidas de Tanques de Acero para el Almacenamiento de Agua Sistemas de Protección Catódica Internos en Recipientes para Tratamiento de Petróleo (Oil Treating Vessels)

Existen otros criterios internacionales e industriales publicados. Los siguientes son el resumen de algunos de ellos: •

Noruega

Diseño de Protección Catódica, RP B401, Det Norske Veritas Industrie Norge AS (DNV). Los criterios listados son: 1. Acero al carbono y de baja aleación en agua de mar aireada: – 800 mV con respecto a una referencia de plata-cloruro de plata 2. En medios anaeróbicos: –900 mV con respecto a una referencia de plata-cloruro de plata.

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Requerimientos Comunes para Protección Catódica Norsok, MCR-503 –800 mV a –1050 mV con respecto a una referencia de platacloruro de plata en agua de mar •

Petroleum Development of Oman (PDO-65-12)

–850 mV instant-off mínimo con respecto al CSE. Evitar potenciales más negativos que –1200 mV CSE (off) •

Abu Dhabi National Oil Company (ADNOC)

Acero en suelos:

–950 a –1150 mV instant off CSE –900 a –1100 mV instant off SSC Acero en hormigón: –700 a –1100 mV instant off CSE –650 a –1050 mV instant off SSC Acero en agua: –850 a –1050 mV instant off CSE –800 a –1000 mV instant off SSC •

Gran Bretaña

Protección Catódica, Parte 1. Code of Practice for Land and Marine applications, Parte 1, BS 7361, BSI Standards (British Standards Institution). Los criterios listados en este standard son:

Hierro y Acero Medio Aeróbico. Hierro y Acero Medio Anaeróbico Plomo Aluminio No exceder Aleaciones de Cobre

Potencial, CSE Suelos y Agua Dulce 850 mV

Potencial, Plata-Cloruro de Plata en Agua de Mar 800 mV

950 mV

900 mV

600 mV 950 mV 1200 mV 500 a 650 mV

550 mV 900 mV 1150 mV 450 a 600 mV

El criterio para el acero en hormigón con exposición atmosférica es un decaimiento mínimo de la polarización de 100 mV en 4 horas o menos.

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Code of Practice for Protective Coating of Iron and Steel Structures Against Corrosion, BS5495 Protection of Structures Against Lightning, BS 6651 •

Canadá

El CSA Standard Z662, “Oil and Gas Pipeline Systems” hace referencia a la CGA Recommended Practice OCC-1 “For the Control of External Corrosion on Buried Or Submerged Metallic Piping Systems” en lo que respecta a criterios y métodos. Los criterios son los mismos que los de la NACE International Recommended Practice. El CSA Standard Z169 se refiere a la protección catódica del aluminio. •

Australia

Australia Standards Institute Standard No. 2832. Este standard tiene tres partes: la Parte 1 se refiere a Tubos, Cables y Ductos, la Parte 2, a Estructuras Enterradas Compactas, y la Parte 3, a las Estructuras Inmersas Fijas. Los criterios son los mismos que los de la NACE SP0169. •

Alemania

La DIN 30676 lista los siguientes criterios de protección catódica:

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Material

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Temperatura, °C o Electrolito

Potencial de Protección, mV vs. CSE

Materiales ferrosos sin o con Por debajo de 40 baja aleación Ídem Por encima de 60 Ídem Medios anaeróbicos Ídem Suelos arenosos, ρ>500 Ω-m Aceros inoxidables con Cr ≥ Suelo o agua dulce y menos de 40 16% Ídem Suelo o agua dulce y más de 40 Aceros inoxidables con Cr ≥ Agua salada 16% Cobre, aleaciones de cobreníquel Plomo Aluminio Agua dulce Ídem Agua salada Acero en contacto con hormigón Acero galvanizado



–850 –950 –950 –750 –100 –300 –300 –200 –650 –800 –900 –750 –1200

Japón

Corrosion Protection and Repair Manual for Port and Harbor Steel Structures, The Overseas Coastal Area Development Institute of Japan. Este documento lista los criterios para la protección catódica del acero en agua de mar:

–770 mV vs. electrodo de calomelanos saturados –780 mV vs. plata-cloruro de plata –850 mV vs. referencia de cobre-sulfato de cobre Además, este documento lista la densidad de la corriente de protección:

Agua de mar Escombros marinos Lodo marino Suelo

Zonas Limpias, mA/m2 100 50 20 10

Zonas Contaminadas, mA/m2 130 a 150 65 a 75 30 10

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Concepto de Protección Catódica

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Japanese Port Authority Association, Parte 1, Harbor Facility Technology Criteria and Discussion. Este documento lista los mismos criterios y requerimientos de corriente que los de la tabla antes citada. Japanese Water Piping Association, Cathodic Protection Manual for Coated Steel Water Pipe, WSP-050-95. Este documento establece el criterio de –850 mV con respecto a una celda de referencia de cobresulfato de cobre. Como para cualquier regulación, el usuario debe contactar la autoridad gubernamental correspondiente para obtener la última versión.

Criterios de Potencial Un criterio de potencial asume que el valor seleccionado es ligeramente más negativo que el probable potencial del ánodo estático más negativo sobre la estructura. Por ende, el criterio de potencial está en función del metal y del medio, como indica la Tabla 1.7. Como los criterios de potencial dependen en gran medida del medio, hay bastante desacuerdo acerca de los criterios de potencial para la protección catódica de metales que no sean hierro o acero en medios aeróbicos. Tabla 1.7 Criterios de Potencial Publicados para la Protección Catódica de Algunos Metales y Aleaciones a 25°C

Metal/Aleación

Criterio de Potencial, mV vs CSE

Hierro o Acero en condiciones aeróbicas Hierro o Acero en condiciones anaeróbicas Acero Inoxidable de la Serie 300 Plomo Cobre

–850 –950 a –1020 –650 –600 a -650 –500

Los criterios de potencial de la Tabla 1.7 deben usarse teniendo en cuenta las circunstancias ambientales. Otras fuentes refieren valores distintos y, en algunos casos, ofrecen rangos para los criterios de protección. Por ejemplo, las fuentes japonesas refieren un potencial de protección de – 710 mV para el plomo y de –1,000 mV para el acero, con respecto a un electrodo de cobre/sulfato de cobre. Los investigadores británicos opinan que el potencial de protección para el aluminio puede variar entre los –

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Concepto de Protección Catódica

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950 mV y los –1,200 mV vs. CSE. Los investigadores americanos han sugerido que se verifica una corrosión “despreciable” en acero expuesto a diversas condiciones de suelo, si el acero se ha polarizado catódicamente a –850 mV con respecto al CSE. Estos criterios de potencial tienen menor validez a medida que aumenta la temperatura. Normalmente, el criterio de potencial debe ser más negativo para compensar aumentos de temperatura. También se requieren potenciales más electronegativos en presencia de bacterias anaeróbicas reductoras de sulfatos (SRB). Sea cual fuere el material de la estructura, al aplicar los criterios de potencial, éste debe interpretarse como valor polarizado. Para compararlas con el criterio elegido, las mediciones estructura-electrolito deben estar libres de error IxR. Algunas veces, esto se logra colocando el electrodo de referencia inmediatamente adyacente a la estructura o midiendo el potencial poco después de haber interrumpido la corriente de protección catódica, es decir, cuando ha desaparecido el efecto de “picos” (spiking) debido a la interrupción de la corriente, pero antes de que haya tenido lugar una despolarización significativa. Allí donde los potenciales anódicos estáticos sobre la estructura son menos negativos que lo usual, la adopción de un criterio de potencial puede resultar en sobreprotección. A la inversa, puede existir una corriente de corrosión residual, aunque pequeña, aún cuando la estructura se haya polarizado hasta el criterio elegido. En cualquier caso, una vez seleccionado el criterio, sólo resulta necesario comparar los potenciales polarizados de la estructura con el valor del criterio, a fin de facilitar el monitoreo.

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Concepto de Protección Catódica Densidad de la Corriente de Intercambio Reacción de Reducción Metal en Corrosión

+ P o t e n c i a l (mV)

1:29

Ec,oc

Criterio Inadecuado

Ecorr

Criterio Adecuado

Ea,oc

– Icorr Icorr, PC

(escala log)

Icorr, PC parcial

Densidad de corr, i Figura 1.13 Criterio de Potencial Algo Más Positivo que el Potencial Requerido para una Protección Completa

Criterios de Potencial de NACE International La NACE Standard SP0169 (se incluye una copia en el Apéndice L) reconoce los criterios de potencial como parte de los criterios que pueden usarse para evaluar el rendimiento de un sistema de protección catódica. La práctica recomendada, 6.2.2.1.1, ofrece el siguiente criterio de potencial: “Un potencial negativo (catódico) de al menos 850 mV con la protección catódica aplicada. Este potencial se mide con respecto a un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre en contacto con el electrolito. Para interpretar esta medición de potencial en forma válida, es preciso tener en cuenta todas las caídas de potencial, además de las que se dan a través de la interfase estructura-electrolito.” Para considerar estas otras caídas de potencial, referirse a los apartados: “Medición o cálculo de la(s) caída(s) de potencial”; “Revisión del rendimiento histórico (a lo largo del tiempo) del sistema de protección catódica”; “Evaluación de las características físicas y eléctricas del tubo y su medio”; y “Determinar si hay o no evidencia física de corrosión.” La SP0169 también da una segunda definición del criterio de potencial, 6.2.2.1.2: “Un potencial polarizado negativo de al menos 850 mV con respecto a un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado.”

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Concepto de Protección Catódica

1:30

Un potencial polarizado se define como: “El potencial a través de la interfase estructura/electrolito, constituido por la suma del potencial de corrosión y la polarización catódica.” La NACE Standard SP0285 define criterios de potencial similares. Al medir un potencial estructura-suelo, el potencial medido es la suma del potencial de corrosión, el nivel de polarización y las caídas óhmicas. Si éstas se eliminan de la medición, ya sea mediante la interrupción de la corriente o cualquier otro método válido, el valor restante representa el potencial polarizado de la estructura. El potencial polarizado, según la SP0169, es “el potencial a través de la interfase estructura/electrolito constituido por la suma del potencial de corrosión y la polarización catódica." En otras palabras, como el parágrafo 6.2.2.1.1 de la NACE SP0169 requiere que “Para interpretar esta medición de potencial en forma válida deben tenerse en cuenta todas las caídas de potencial, además de las que se dan a través de la interfase estructura-electrolito" y el parágrafo 6.2.2.1.2 requiere la determinación del “potencial polarizado”, estos

dos criterios son simplemente dos formas diferentes de describir el mismo criterio.

Criterio de Desplazamiento de Polarización Actualmente, para estructuras ferrosas se acepta solamente un criterio de polarización, 6.2.2.1.3: un desplazamiento del potencial por polarización de –100 mV. Al aplicar este criterio, se asume que las celdas de corrosión sobre la estructura funcionan bajo control catódico, y por lo tanto, el valor del potencial de corrosión de la estructura (Ecorr) es cercano al valor del potencial del ánodo a circuito abierto (Ea,oc) (es decir, menos de 100 mV) como se indica en la Figura 1.14.

Ec,oc

Potencial (mV)

+

Ecorr –

100 mV

Ea,oc Icorr,cp

icorr

icp

Densidad de Corriente, i

Figura 1.14 Celda de Corrosión Bajo Control Catódico (Potencial de Corrosión Cercano al Potencial A Circuito Abierto del Ánodo) Manual del Curso CP 4–Especialista en Protección Catódica © NACE International, 2005 7/2009

Concepto de Protección Catódica

1:31

Si el potencial de corrosión se polariza 100 mV en dirección electronegativa, se considera alcanzada la protección. Para aplicar este criterio, es preciso registrar los potenciales de corrosión de la estructura antes de energizar el sistema de protección catódica, y luego medir los potenciales polarizados en los mismos puntos luego de que el sistema ha sido puesto en funcionamiento. Como la polarización está en función del tiempo, a veces resulta ventajoso, especialmente en estructuras desnudas, permitir que el sistema de protección catódica opere durante un período de tiempo antes de llevar a cabo el relevamiento de potencial polarizado. Todos los potenciales medidos después de energizar el sistema deben estar libres de caída óhmica, de forma tal que puedan compararse con los potenciales de corrosión iniciales en forma válida. Si no se cuenta con un registro de los potenciales de corrosión iniciales previos a la energización del sistema de protección catódica, se lo puede apagar para permitir que la estructura se despolarice, de manera de obtener los datos requeridos. Sin embargo, la desventaja de este método consiste en que la estructura podría quedar sin protección durante un período considerable. Si las cel-

das de corrosión de la estructura operan bajo control anódico, es posible que ninguno de los criterios de polarización sea válido.

Criterio E log i Si bien las NACE Standards SP0169 y SP0285 no reconocen los criterios E log i para la protección catódica, éstos se han usado con éxito en el pasado y pueden resultar útiles en situaciones específicas en las que no puedan aplicarse otros métodos más directos. Para aplicar el criterio E log i, hay que construir una curva de polarización catódica para la estructura. Los datos para esta curva se obtienen aplicando corrientes de ensayo de magnitud cada vez mayor y midiendo el potencial polarizado de la estructura para cada valor de la corriente de ensayo. Al realizar este ensayo, hay varios factores a tener en cuenta. El intervalo de tiempo entre mediciones debe ser lo más consistente posible, de manera de eliminar distorsiones causadas por el cambio de polarización a lo largo del tiempo. El rango de corrientes de ensayo debe extenderse hasta un factor de al menos 10 veces el requerimiento de corriente estimado para la protección. Además, el potencial medido debe corregirse para eliminar la caída óhmica, a fin de obtener el potencial polarizado. Luego se vuelcan los datos obtenidos en un gráfico en papel semilogarítmico, como se muestra en la Figura 1.15, que es un gráfico real a partir de datos reales obtenidos en un pozo de petróleo.

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Concepto de Protección Catódica

1:32

-0.720 -0.740

Potencial, Vcse

-0.760 -0.780 -0.800

Pendiente de Tafel

-0.820 -0.840 -0.860

I Requerida para la PC

-0.880 0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

Corriente, A

Figura 1.15 Polarización E log i que Muestra el Comportamiento de Tafel En medios relativamente anaeróbicos, como los casings de pozos, con frecuencia la curva de polarización exhibe un comportamiento lineal (Tafel) a mayor corriente de ensayo. Generalmente se dibuja una línea recta tangente a la porción de Tafel de la curva y se la extiende hacia las ordenadas. A partir de esta extensión de Tafel se realiza una serie de interpretaciones. La interpretación más común de la curva E log i consiste en afirmar que la corriente requerida para alcanzar la protección completa es la corriente determinada por el punto donde la tangente a la pendiente de Tafel se separa de los datos. En la Figura 1.16, esta separación ocurre a aproximadamente 11 A. Nótese que la pendiente de Tafel es de aproximadamente –0.115 V/dec., lo que concuerda con los valores informados para la reducción de H+ en hierro. Como ya dijimos, en este caso la corriente requerida para la protección según el criterio E log i es de alrededor de 11 A. La validez del criterio E log i depende si se obtiene el comportamiento de Tafel. Éste se presenta generalmente en estructuras expuestas a medios anaeróbicos, donde la cinética de las celdas de corrosión está controlada por la polarización de activación debido a la reducción de iones hidrógeno (H+). No es de esperarse que una estructura expuesta a un medio aireado presente comportamiento de Tafel, ya que la cinética de las celdas de corrosión en este caso está controlada por la polarización por concentración (por ej., la difusión de oxígeno a los sitios catódicos en los que tiene lugar la reducción). Este criterio se aplica muchas veces en casings de pozos profundos, donde el suelo es claramente anaeróbico. Si se demuestra que este criterio ha sido usado con éxito, puede continuar utilizándoselo. En muchos casos en que se ha usado el criterio E log i para establecer una corriente inicial para la protección catódica, se comprobó que, luego

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Concepto de Protección Catódica

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de un período corto de funcionamiento, también se cumplían los criterios de potencial polarizado con respecto a una referencia standard y de 100 mV de desplazamiento por polarización.

Criterio de Dirección de la Corriente Estructura/Electrolito Si bien los NACE Standards SP0169 y SP0285 no reconocen los criterios de dirección de la corriente estructura/electrolito para la protección catódica, éstos se han usado en el pasado y se reconocen bajo la categoría de “condiciones especiales”. El criterio de dirección de la corriente estructura/electrolito para la protección catódica requiere que se identifiquen primero todos los sitios anódicos de la estructura. Después de esto, se considera alcanzada la protección catódica si puede demostrarse que existe una corriente (de protección) neta desde el electrolito hacia la estructura en todos los sitios anódicos previamente determinados. La corriente se mide con un medidor conectado a dos electrodos, uno de ellos ubicado lo más cerca posible del sitio anódico, como vemos en la Figura 1.16.

V

Electrodos De Referencia I Suelo Excavación en el Sitio Anódico Predeterminado

Figura 1.16 Uso de Dos Electrodos de Referencia para Determinar si Hay una Corriente Neta desde el Electrolito hacia la Estructura en un Sitio Anódico Predeterminado

Este criterio es cuestionable, debido a la dificultad de localizar todos los sitios anódicos sobre una estructura que se corroe. Además, se sabe que la ubicación de los sitios anódicos varía con el tiempo, y es preciso excavar para poder medir apropiadamente. Más allá del criterio utilizado, es importante confirmar que se ha alcanzado una protección catódica adecuada (es decir, que la estructura ya no se corroe a une velocidad inaceptable). En algunas estructuras, como tan-

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1:34

ques de almacenamiento de agua y cajas de condensadores, se pueden usar cupones para evaluar periódicamente el éxito relativo del criterio de protección catódica. Al usar cupones, éstos deben ser representativos del metal de la estructura.

Otros Criterios Aluminio El aluminio es un metal activo que, en ausencia de una película superficial de óxidos pasiva, reacciona directamente con el agua. Es justamente la rapidez de formación y durabilidad de esta película lo que permite que el aluminio se use en muchas aplicaciones comunes, expuesto a medios acuosos. El criterio para proteger catódicamente el aluminio de la NACE SP0169 es: Un mínimo de 100 mV de polarización catódica entre la superficie de la estructura y un electrodo de referencia estable en contacto con el electrolito. El aluminio es un metal anfótero, es decir, un metal que se corroe en condiciones tanto ácidas como alcalinas. El potencial polarizado no debe exceder los –1200 mV entre la superficie del tubo y un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado, a fin de evitar la acumulación de álcali sobre la superficie que podrían aumentar la velocidad de la corrosión. Si el pH del medio está por encima de 8.0, debe evaluarse la situación antes de aplicar la protección catódica. Los metales anfóteros deben estar aislados de cualquier otro metal del sistema y protegidos por separado.

Cobre Los criterios para la protección catódica del cobre de la NACE SP0169 son: • •

Un mínimo de 100 mV de polarización catódica entre la superficie de la estructura y un electrodo de referencia estable en contacto con el electrolito. En el caso de tuberías de distintos metales, un potencial negativo igual al del metal, más anódico entre las superficies de todos los tubos y un electrodo de referencia estable.

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1:35

Estructuras de Hormigón Reforzado La NACE Standard SP0100 “Cathodic Protection of Prestressed Concrete Cylinder Pipelines” (Protección Catódica de Tuberías Cilíndricas de Hormigón Pretensado), requiere 100 mV de desarrollo/decaimiento de la polarización con un límite de potencial de –1,000 mV CSE para evitar la generación de hidrógeno y la posible fragilización por hidrógeno del acero de alta resistencia. Generalmente se acepta el criterio de 100 mV de polarización para la protección de la mayor parte de las estructuras de hormigón reforzado.

Resumen de Criterios La protección catódica requiere que los potenciales de corrosión (Ecorr) de una estructura sean polarizados en dirección electronegativa. La protección completa se alcanza cuando los potenciales de la estructura se polarizan hasta el potencial anódico a circuito abierto más electronegativo de la estructura (Ea,oc). Como no puede medirse o calcularse Ea,oc con precisión, se hace necesario establecer criterios mensurables para la protección catódica. Existen varios criterios de protección catódica, y cada uno de ellos tiene sus ventajas y limitaciones. Estos criterios se resumen en la Tabla 1.8.

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Concepto de Protección Catódica

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Tabla 1.8 Ventajas y Limitaciones de los Criterios de Protección Catódica

Criterios Potencial

Ventajas

Limitaciones

Fáciles de aplicar.

Suponen que el potencial seleccionado es al menos tan negativo como Ea,oc.(1) Generalmente requieren la corrección de la caída óhmica. Desplazamiento por Se mide el potencial polarizado Requiere la medición del Polarización potencial de corrosión y del (libre de error por caída óhmica). 100 mV de polariza- Evita la sobreprotección. potencial polarizado. ción Probablemente no será válido para celdas de corrosión de acción localizada bajo control anódico. E log i Requerimientos de corriente No válido para medios airearelativamente bajos. dos. Requiere procedimientos de ensayo muy cuidadosos. Corriente Estructu- Teóricamente, suministrará una Dificultad para localizar y ra/Electrolito protección completa. medir los sitios anódicos preexistentes. Los sitios anódicos pueden cambiar de ubicación con el tiempo. (1)

El potencial anódico a circuito abierto sobre una superficie en corrosión libre.

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Consideración de la Caída Óhmica Determinación y Corrección del Error por Caída Óhmica Al medir potenciales para compararlos con los criterios, con frecuencia se incluyen errores causados por caídas óhmicas, especialmente en el electrolito, como dijimos previamente. Además, es necesario determinar y compensar apropiadamente la magnitud de los errores por caída óhmica al medir y evaluar los datos obtenidos en campo. Para esto, existen varios métodos comunes para determinar y corregir la caída óhmica: • • • •



Coloque el electrodo de referencia cerca de la superficie de metal expuesta de la estructura a medir. En una estructura recubierta, la referencia debe colocarse cerca de una falla en el revestimiento (holiday). Coloque el electrodo de referencia en el terreno remoto, para incluir el error máximo por caída óhmica, y luego reste este error de los potenciales medidos con la referencia ubicada más cerca de la estructura. Interrumpa la corriente y mida el potencial antes de que haya una despolarización significativa (generalmente llamado potencial “instant off "). Disminuya la corriente por etapas mientras mide el cambio en el potencial estructura-electrolito y el gradiente de potencial superficial resultante. Se extrapola luego la curva creada con estos datos hasta la corriente cero, a fin de identificar el error por caída óhmica total en el potencial estructura-electrolito con toda la corriente aplicada. Use cupones y sondas.

En algunos casos, el error por caída óhmica puede despreciarse, si la corriente y/o la resistencia son pequeñas. La resistencia de un paso de corriente está en función de su superficie transversal, su resistividad y su longitud. Antes de considerar insignificante una caída óhmica, deberá determinarse su magnitud para verificar su insignificancia.

Electrodo de Referencia Cerca de la Estructura Colocando el electrodo de referencia cerca de la estructura se minimiza el error por caída óhmica en el electrolito, en proporción a la cercanía del electrodo con respecto a la estructura. Lamentablemente, para estructuras enterradas, ésta no resulta una técnica práctica, excepto en los puntos de entrada y salida de la estructura en el suelo. Además, en estructu-

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Concepto de Protección Catódica

1:38

ras revestidas, el electrodo generalmente no puede colocarse más cerca de la estructura que en un punto inmediatamente por fuera del revestimiento, y es justamente a través de éste que se produce gran parte de la caída óhmica.

Electrodo de Referencia Remoto Con el electrodo de referencia remoto con respecto a la estructura, la lectura de potencial incluye el máximo error por caída óhmica total al aplicar la corriente. Por lo tanto, si se identifica el valor máximo entre un electrodo de referencia colocado sobre la superficie del tubo y un electrodo de referencia remoto, puede restarse este valor de las subsiguientes mediciones de potencial tubo-suelo, siempre que la densidad de corriente y la resistividad del paso de corriente permanezcan relativamente constantes. En condiciones constantes, probablemente esta técnica corregirá de más la lectura de potencial, errando así en sentido conservador.

Baja Resistividad Estructura

V

) -900 mV

)

-910 mV

Alta Resistividad Protegida

-800 mV

-980 mV

(

(

Caída Óhmica en el Terreno Remoto Figura 1.17 Caída Óhmica en el Terreno Remoto

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V

Concepto de Protección Catódica

1:39

Interrupción de la Corriente El método más efectivo para eliminar los errores por caída óhmica consiste en llevar la corriente a cero en la medición de potencial “instant off”, haciendo que el producto IxR sea igual a cero. Por lo general, la caída óhmica cero se obtiene interrumpiendo temporariamente el flujo de corriente y midiendo instantáneamente el potencial de la estructura. Este potencial debe medirse rápidamente, ya que la estructura comenzará a despolarizarse. Sin embargo, puede haber un “pico” (spiking) significativo del potencial debido a los efectos inductivos y de capacitancia relacionados con la interrupción de la corriente de protección catódica. El potencial “instant-off” debe medirse luego de que haya cesado el “pico”, pero antes de que haya habido una despolarización significativa de la estructura, como vemos en la Figura 1.18. +

Potencial

(mV)

– 500 mV Pico Corriente de PC Interrumpida

Polarización IR

–1,000 mV

– Tiempo Figura 1.18 Eliminación de la Caída Óhmica mediante Interrupción de la Corriente

Esta técnica tiene además la ventaja de que también se elimina la caída óhmica en el paso metálico del circuito. En estructuras con varias fuentes de corriente, que influyen sobre la lectura del potencial, puede resultar difícil interrumpir todas las fuentes, o interrumpirlas simultáneamente. Como en una ubicación determinada, la caída óhmica es la suma de los efectos de la corriente aplicada por todas las fuentes, la caída óhmica total puede calcularse sumando los efectos individuales de cada fuente.

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1:40

Ec. 1.5

IRx = I1R x,1 + I2Rx,2 + I3Rx,3 +..... InRx,n donde: IRx = caída óhmica total en la ubicación “x”, V In = corriente en la fuente “n”, A. Rx,n = cambio de potencial en “x” debido a A. en “n”

Reducción de la Corriente por Etapas En los casos en que hay múltiples fuentes de corriente y no resulta práctica interrumpirlas en forma sincronizada, puede usarse el método de reducción de la corriente por etapas. Como vemos en la Figura 1.19, se miden tanto el potencial estructura-electrolito como el gradiente de potencial superficial.

+

V1

V1

-

-

V2

V2 +

Electrodos c de Referencia

Tubería Ánodo (Remoto)

Suelo

Figura 1.19 Técnicas de Reducción de la Corriente por Etapas para Corregir la Caída Óhmica

Luego de medir los potenciales iniciales V1 y V2 con todas las corrientes aplicadas, se reduce la corriente y se vuelven a medir los potenciales. Se grafica el cambio en el potencial de la estructura resultante de la reducción de la corriente, sobre el eje vertical (véase Figura 1.20), y se grafica el nuevo gradiente superficial sobre el eje horizontal. Si se extienden estos valores, se obtiene un punto, P1. Si se sigue disminuyendo la corriente a I2, I3, etc., se establece una serie de puntos P2, P3, etc., con los nuevos valores de ΔV2, ΔV3, etc. Finalmente, se extrapolan estos valores a la corriente cero, y se obtiene así la intersección de la corriente sobre el eje de las y en un valor igual al error total por caída óhmica incluido en la medición de potencial original, V1, pudiéndose luego corregirlo en consecuencia. Esto debe hacerse para cada fuente de corriente que influya sobre la locación de interés.

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Δ V1 Extrapolación

Caída Óhmica desde la Superficie hasta la Estructura

P2 P1 Δ V1,2 Δ V1,1

P0

V1 inicial V2, 2

V2 ,1

V2 inicial

Diferencia de Potencial Referencia/Referencia, V2

Figura 1.20 Extrapolación de la Reducción de la Corriente por Etapas para Determinar y Corregir la Caída Óhmica

Esta técnica no identifica los errores por caída óhmica en el metal.

Uso de Cupones y Sondas A veces se utilizan cupones para minimizar los errores por caída óhmica. Los cupones están hechos del mismo metal que la estructura a proteger, están en su mismo electrolito y están conectados a la estructura a proteger. En este método, la corriente al cupón es pequeña y se minimiza la caída óhmica. Si se ubica el cupón de manera tal de poder colocar el electrodo de referencia muy cerca, se minimiza aún más la caída óhmica. En algunos casos, los cupones se entierran cerca de electrodos de referencia permanentes. La cercanía del electrodo de referencia al cupón de metal de muestra permite realizar mediciones de potencial con mínima caída óhmica. Las sondas son elementos de resistencia construidos con el mismo material que la estructura. Al igual que los cupones, se conectan a la estructura protegida. Si hay corrosión en la sonda, aumenta su resistencia eléctrica. Midiendo esta resistencia a lo largo del tiempo, es posible determinar si se está controlando la corrosión mediante el sistema de protección catódica. Aunque esta técnica no es nueva, el uso de cupones y sondas para minimizar los errores por caída óhmica ha recibido más atención últimamente. Sin embargo, esta técnica se apoya en muchas suposiciones que pueden ser apropiadas o no, según el caso. Tal vez la más crítica de estas supo-

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siciones sea que el metal en la sonda responderá de idéntica manera a la protección catódica que el metal de la estructura. Existen muchas estaciones de medición especiales para el monitoreo de la protección catódica. La mayoría están construidas con un cupón de acero, conectado al tubo protegido a través del cableado de la estación de medición. La estación de medición está colocada de manera tal que el cupón descansa cerca de la tubería en el suelo particular del relleno alrededor del tubo. En el poste de la estación de medición o en el suelo cerca del cupón, se coloca un electrodo de referencia para permitir la medición. Se desconecta momentáneamente el cupón del tubo y se mide su potencial. Esto posibilita una lectura prácticamente libre de caída óhmica del potencial del cupón con respecto a la celda de referencia y, por lo tanto, del potencial instant-off equivalente de la superficie del tubo, ya que ambos deben haber estado al mismo potencial antes de efectuar la medición. Algunas de estas estaciones de medición vienen con sondas de corrosión del tipo ER (electrical resistance) ubicadas en el pie de la estación de medición. El elemento se conecta a la tubería y se encuentra al mismo nivel de protección catódica que el tubo. Si hay corrosión, la sonda ER lo reflejará presentando una mayor resistencia a lo largo del tiempo. La Figura 1.21 ilustra un tipo de estación de medición especial, que incluye las características descriptas. Interruptor SONDA

CABLE DE LA REFERENCIA

CUPÓN

Cupón

TUBO

Elemento de Resistencia Figura 1.21 Estación de Medición Especial para Monitorear la Protección Catódica

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Concepto de Protección Catódica

1:43

La Tabla 1.9 resume las ventajas y limitaciones de las diversas técnicas para corregir la caída óhmica. Tabla 1.9 Resumen de las Técnicas para Corregir la Caída Óhmica

Técnica Terreno Remoto

Referencia cerca de la Estructura Interrupción de la Corriente

Reducción de la Corriente por Etapas Cupones y Sondas

Ventajas Da cuenta del error máximo.

Limitaciones

Requiere densidad de corriente y resistividad constantes. Precisión. Puede requerir dragado. Precisión. Dificultades para interrumpir múltiples fuentes de corriente. Spiking. Despolarización. Aplicable con múltiples Lleva tiempo y no es fuentes de corriente. válida para tuberías múltiples. Potencialmente muy Presupone la respuesprecisa. ta del metal a la protección catódica

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CAPÍTULO 2 Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

Introducción En este capítulo analizaremos los muchos factores que afectan el diseño de los sistemas de protección catódica. Antes de comenzar un diseño de protección catódica, deben considerarse todos los parámetros ambientales y estructurales que influirán sobre el diseño.

Ambientales Humedad En ausencia de humedad, no pueden producirse las reacciones usuales en corrosión y protección catódica. Por ejemplo, el agua completamente congelada evita la migración de iones, y el hielo se vuelve muy alto en resistividad. Asimismo, un suelo totalmente seco, si bien no es común, no transferirá cargas. La humedad puede contener no sólo compuestos químicos solubles que suministren iones para la transferencia de cargas, sino también oxígeno disuelto que influya sobre la polarización y otros gases, como el dióxido de carbono y el dióxido de azufre, que reducen el pH.

Textura del Suelo La textura del suelo (tamaño de partículas) es importante, ya que determina la facilidad con que líquidos y gases pueden penetrar en el suelo. Las diferencias en la textura del suelo pueden crear celdas de aireación diferencial, que pueden resultar extremadamente corrosivas. Las zonas deficientes en oxígeno disuelto se vuelven ánodos con respecto a las zonas más aireadas. El cieno y la arcilla densa promueven condiciones anaeróbicas favorables al desarrollo de ciertos organismos microbiológicos que provocan una corrosión agresiva.

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:2

pH Generalmente, la corriente requerida para la protección catódica es mayor en medios ácidos, en comparación con la corriente requerida en medios básicos o neutros. Esto se debe a dos fenómenos: (1) un desplazamiento en dirección positiva del potencial catódico a circuito abierto de la estructura y (2) un achatamiento de la curva de polarización catódica de la estructura, como indica la Figura 2.1, lo que significa que se requiere más corriente para cambiar el potencial polarizado de la superficie en una determinada cantidad. +

pH 7.0 Neutro

Potencial (mV)

EAc,o c

pH Bajo Ácido

EN c,o c EB c,o c

pH Alto Básico Ec,p

Ea,o c – ireq,B

ireq, N

ireq, A

i cp densidad de corriente

Figura 2.1 Efecto del pH del Medio sobre la Densidad de Corriente Requerida para la Protección La pendiente de polarización catódica de la estructura se achata cuando aumenta la acidez, debido al aumento de la concentración de iones de hidrógeno (H+) reducibles según la siguiente reacción:

H+ + e – → H pH = log

1 [H+ ]

A mayor concentración de iones hidrógeno, [H+], menor pH.

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Ec. 2.1

Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:3

Tabla 2.1 Concentraciones de Iones Hidrógeno y Oxhidrilos en Función del pH pH 0

H+ 100

OH10-14

2

10-2

10-12

4

10-4

10-10

6

10-6

10-8

8

10-8

10-6

10

10-10

10-4

12

10-12

10-2

14

10-14

100

Raramente el pH de un electrolito (suelo o agua) es neutro, esto es, 7. Esto se debe a la presencia de diversas especies iónicas en el electrolito como resultado de la hidrólisis de sales (por ej., carbonato de sodio, sulfato de amonio y otras). Según la naturaleza de la sal, el pH puede desplazarse tanto en dirección ácida como básica. Por ejemplo, el sulfato de amonio (una sal ácida), que se usa como fertilizante, tiende a disminuir el pH del suelo. El hormigón, que tiene un pH de aproximadamente 13, tiene un efecto inhibidor sobre la corrosión del acero y reduce los requerimientos de corriente.

Temperatura Una mayor temperatura tiene un efecto despolarizante debido al aumento en la velocidad de difusión de las especies reducibles hacia los sitios catódicos, una disminución en la polarización por concentración. Por consiguiente, aumenta la velocidad de la reacción de reducción, disminuyendo así el nivel de polarización y aumentando el requerimiento de corriente de protección catódica, como vemos en la Figura 2.2.

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2:4

+ Menor Temperatura

EHTc,oc

Potencial (mV)

ELTc, oc

Mayor Temperatura

Ea,oc

Ec,p

–– i req, LT

i req,HT 1

icp densidad de corriente

Figura 2.2 Efecto de la Temperatura sobre la Corriente Requerida para la Protección Catódica Además, una mayor temperatura aumentará la ionización. A medida que ésta aumenta, aumenta también la conductividad del electrolito, lo que aumenta la corriente de corrosión y la corriente de protección catódica requerida para una protección adecuada. También disminuye la polarización de activación, ya que se aceleran las reacciones electroquímicas.

Contenido de Oxígeno El oxígeno u otros oxidantes aumentan los requerimientos de corriente como resultado de la reducción de la pendiente de polarización catódica. Por ejemplo, el oxígeno participa en la reacción de reducción catódica:

2H2O + O2 + 4e– → 4OH– reduciendo así la polarización. Este efecto está ilustrado en la Figura 2.3.

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2:5

+ EHc,oc

Menos Oxígeno

Potencial (mV)

ELc,oc

Más Oxígeno

Ea,oc – ireq, L

ireq, H

Icp densidad de corriente

Figura 2.3 Efecto del Oxígeno sobre la Corriente Requerida para la Protección Catódica De acuerdo con esto, las estructuras en suelos bien aireados, como arena canto rodado, requieren más corriente de protección catódica que las estructuras rodeadas de un suelo relativamente anaeróbico, como la arcilla. La solubilidad del oxígeno es mayor en agua fría que en agua caliente. Por lo tanto, los medios de aguas frías en contacto con el aire tienen mayores requerimientos de corriente que los medios con aguas más cálidas.

Movimiento Un aumento en el movimiento relativo entre electrolito estructura aumentará el requerimiento de corriente. Esto se debe principalmente a la mayor disponibilidad de especies reducibles cerca de la superficie de la estructura y al resultante aumento en la velocidad de la reacción de reducción. Este efecto, ilustrado en la Figura 2.4, se presenta en estructuras como hélices de barcos, muelles y estructuras offshore expuestas al flujo de agua de mar o mareas, así como las superficies internas de las cajas de condensadores de agua.

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2:6

+ EHc,oc

Menor Velocidad

ELc,oc Potencial (mV)

Mayor Velocidad

Ea,oc

Ec,p

– Ireq, L:

Ireq, H

Icp densidad de corriente

Figura 2.4 Efecto del Movimiento Relativo sobre la Corriente Requerida para la Protección Catódica Sin embargo, los requerimientos de corriente no son necesariamente una función lineal de la velocidad del fluido. Si el flujo es laminar, en lugar de turbulento, los requerimientos serán menores, como vemos en la Figura 2.5.

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Corriente Requerida para la Protección Catódica Flujo Laminar

2:7

Flujo Turbulento

Movimiento Relativo

Figura 2.5 Efecto del Flujo Laminar y Turbulento sobre la Corriente Requerida para la Protección Catódica Por ejemplo, un barco en marcha requiere más corriente de protección catódica que un barco en reposo; asimismo, la popa de un barco requiere más corriente que la proa.

Actividad Microbiológica La actividad microbiológica puede aumentar la velocidad de corrosión de un metal de varias maneras, incluyendo la corrosión por los subproductos de las bacterias, la formación de celdas por concentración de oxígeno y la de despolarización. En el caso de las bacterias reductoras de sulfatos, dos de las teorías aceptadas incluyen la despolarización por la remoción de un producto en la reacción del hidrógeno y a la producción de sulfuro de hierro y a las reacciones que incluyen fósforo. La despolarización involucra la remoción de hidrógeno del cátodo, lo cual aumenta la reacción anódica. La formación de sulfuro de hierro remueve iones de hierro, lo que también despolariza el ánodo.

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2:8

Podemos ver todo esto en las reacciones de la Tabla 2.11: Tabla 2.2 Ecuaciones de las reacciones asociadas con las SRB (bacterias reductoras de sulfatos) Ionización del agua Corrosión del hierro

8H2O → 8OH– + 8H+ –

4 Fe → 4Fe++ + 8e

(ánodo)

-

Formación de hidróge- 8H+ + 8e → 8H Adsorbidos (cátodo) no Remoción de hidrógeno SO4– –+ 8H → S– – + 4H2O (despolarización) Reacciones secunda- Fe++ + S– – → FeS↓ (ánodo) rias 3Fe++ +6(OH)– → 3Fe(OH)2 (ánodo) Debido a la influencia despolarizante de las bacterias, no pueden aplicarse los criterios normales de protección catódica. Las investigaciones en este sentido indican que en presencia de bacterias, el acero debe polarizarse hasta alcanzar un potencial de al menos –950 mV CSE.

Estructura Las características de la estructura tienen una influencia significativa sobre la protección catódica. Algunas de las consideraciones más importantes son: • • • • • •

materiales de construcción método de fabricación geometría de la estructura y de otras estructuras vecinas revestimiento protector, que puede estar presente aislación eléctrica de otras estructuras o dentro de la misma estructura requerimientos de puesta a tierra

Materiales de Construcción Posición Electroquímica Las conexiones bimetálicas son una fuente obvia de diferencias de energ1

W.P. Iverson, “Mechanism of Anaerobic Corrosion of Steel by Sulfate Reducing Bacteria”, Materials Performance, March 1984, pp. 28-30

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:9

ía. Estas diferencias introducen el potencial para la corrosión galvánica. Es necesario ecualizar el potencial eléctrico de los diversos materiales de construcción mediante la aplicación de protección catódica. Los componentes menos activos deben polarizarse al menos hasta el potencial del componente más activo. Por ejemplo, el uso de remaches de acero para unir placas de cobre grandes sería muy poco recomendable, ya que esto requeriría polarizar toda la superficie de cobre hasta un potencial igual al de los pequeños remaches de acero. Las diferencias de potencial y, en algunos casos, las posiciones relativas de actividad de los metales pueden variar en función del medio. Algunas aleaciones (por ejemplo, los aceros inoxidables) pueden exhibir potenciales tanto activos como pasivos, según las características químicas y otros parámetros del medio. Por lo general, los aceros inoxidables dependen de la presencia del oxígeno para mantener su pasividad. La Tabla 2. 2 presenta un listado de metales y aleaciones comunes en agua de mar, ordenados según su actividad galvánica de catódicos a anódicos. Tabla 2.3 Serie galvánica de metales y aleaciones en agua de mar a 25° C2 Metal o Aleación Ánodo de magnesio (alta pureza) Ánodo standard de Mg-6Al-3Zn Ánodo de aluminio (patentado) Ánodo de zinc (Mil-A-18001G) Aleaciones de aluminio Hierro dúctil con 2% Ni Hierro dúctil Acero al carbono Acero de alta resistencia de baja aleación Acero inoxidable 430 (activo) Acero inoxidable 304 (activo) Acero inoxidable 410 Níquel resistente tipo I Bronce Latón amarillo Cobre Latón Almirantazgo (Admiralty) Latón rojo Acero pavonado Latón Admiralty Latón al aluminio Cuproníquel 90-10 (1.4 Fe) Cuproníquel 90-10 (0.82 Fe) Cuproníquel 70-30 (.45 Fe)

Potencial (V) (ref. de Ag-AgCl) –1.65 –1.50 –1.10 –1.03 –0.90 a –0.65 –0.68 –0.61 –0.61 –0.60 –0.57 –0.53 –0.52 –0.47 –0.40 –0.36 –0.36 –0.36 (24.6°C) –0.33 -0.31 –0.30 (11.9°C) –0.29 –0.29 (17°C) –0.28 –0.25

2

Cathodic Protection of Reinforcement Steel in Concrete. KGC Berkeley, S. Pathmanaban, Butterworths & London (1990). pg. 5.

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica Cuproníquel 70-30 (.51 Fe) Cuproníquel 90-10 (1.4 Fe) Cuproníquel 90-10 (1.5 Fe) Cuproníquel 70-30 (.51 Fe) Acero inoxidable 430 (pasivo) Cuproníquel 70-30 (.51 Fe) Níquel Acero inoxidable 316 (activo) Inconel Acero inoxidable 410 (pasivo) Plata Titanio (pasivo) Acero inoxidable 304 (pasivo) Hastelloy C Monel Acero inoxidable 316 (pasivo) Grafito Platino

2:10

–0.24 (17°C) –0.24 (6°C) –0.22 (24°C) –0.22 (6°C) –0.22 –0.20 (26.7°C) –0.20 –0.18 –0.17 –0.15 –0.13 –0.0 –0.08 –0.08 –0.08 –0.06 +0.25 +0.26

Susceptibilidad al Daño por Hidrógeno El hidrógeno atómico generado en la superficie, tanto por reacciones de protección catódica como de corrosión, puede reaccionar con algunos metales para formar hidruros metálicos o puede difundir hacia el interior del metal. Este hidrógeno atómico puede dañar el metal de varias maneras, entre las que se incluye: ampollado, formación de partículas frágiles, fragilización o facilitación de la corrosión bajo tensiones (stress corrosion cracking). La fragilización del metal puede hacer que se formen grietas, que pueden crecer y hacer que la estructura falle. Algunos de los metales que pueden verse perjudicados por la difusión de hidrógeno son: • • • • • • • •

acero al carbono de más de 200 ksi (1380 MPa) de resistencia a la tracción acero de baja aleación (por ej., 4130, 4340, D6AC) de más de 200 ksi (1380 MPa) acero inoxidable martensítico aceros inoxidables endurecidos por precipitación (bajo condiciones de tratamiento térmico ) algunas aleaciones de aluminio de la serie 2000 algunas aleaciones de aluminio de la serie 7000 (excepto tratamiento térmico T73) algunas aleaciones de aluminio de fundición algunas aleaciones de cobre con determinadas condiciones de dureza

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

• •

2:11

aleaciones de magnesio titanio (formación de partículas de hidruros de titanio)

La Figura 2.6 muestra el efecto del hidrógeno sobre la ductilidad del acero. Estos ensayos se realizaron sobre alambres de acero de alta resistencia utilizados en puentes en agua, con un pH de 6.5. Las muestras fueron marcadas para proveer una concentración de tensiones. El gráfico muestra el porcentaje de reducción de la superficie y la fractura por tensión normalizada en muestras marcadas (ranuradas, con muescas) en función del potencial. La tensión de fractura normalizada es la tensión de fractura en el aire / la tensión de fractura en las condiciones del ensayo. Los ensayos iniciales en aire, en aire después de haber cocido las muestras para eliminar el hidrógeno residual del metal, inmersas bajo condiciones de corrosión libre (ECORR), e inmersas con el potencial controlado por debajo de ECORR, indican la resistencia y ductilidad del acero cuando no hay hidrógeno presente. A potenciales más activos que el potencial de evolución de hidrógeno, aparecen severas reducciones a la ductilidad.

Potencial de Evolución de Hidrógeno Hidró a pH 6.5 = 626 mV

Air

-600

-900

1.05 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 -1200

Tensión de fractura

20.00 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00

Electrolito C.L.. = F.C. En corrosión Freely Libre

normalizada en muestras marcadas

Reducción de la Superficie

Aire

Potencial, mV, SCE Reducción Tensión de fractura para de Superficie Muestras Ranuradas Figura 2.6 Reducción Porcentual de la Superficie y de la Tensión de Fractura Normalizada para Muestras Ranuradas vs. Potencial

Además, algunas condiciones de tensión interna y de trabajo en frío pueden hacer que un metal normalmente resistente, como el acero al carbono de baja resistencia, sea susceptible al hidrógeno. Para un análisis más detallado, véase Metals Handbook, Vol. 13 Corrosion, 9na Edición, ASM International, Materials Park, OH, 1987.

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:12

Para evitar la fragilización por hidrógeno, es preciso mantener el potencial por debajo del potencial de evolución de hidrógeno, que depende del pH. Pourbaix nos suministra la fórmula general para el potencial de la reacción H2 → 2H+ + 2e−3:

E0 = −0.0591 pH

Ec. 2.2

Donde E0 = potencial de evolución de hidrógeno (escala del hidrógeno) en voltios. Evidentemente, a mayor pH, más negativo será el potencial necesario para generar hidrógeno. Por ejemplo, en un suelo o agua con un pH neutro de 7, E0 = –0.414 voltios (SHE) ó –0.730 voltios (CSE). En un medio con pH 12, como el hormigón, el hidrógeno se genera a E0 = –0.709 voltios (SHE) ó –1.025 voltios (CSE). Para el caso del aluminio, el potencial polarizado debe mantenerse por encima (más positivo que) los –1200 mV (CSE), para evitar la corrosión por álcalis (véase Metales Anfóteros más adelante); sin embargo, para las aleaciones susceptibles, el potencial límite puede ser más positivo. Para el titanio, el potencial límite es de –700 mV (plata-cloruro de plata) para evitar la formación de hidruros. En algunos documentos acerca de los criterios de protección catódica se analizan los niveles de sobreprotección, y pueden diferir levemente de los potenciales citados más arriba. Para el hormigón pre-tensado, deben evitarse potenciales más negativos que –1,000 mV (CSE). Es preciso tener cuidado al diseñar y operar sistemas de protección catódica donde se usan materiales susceptibles a la fragilización por hidrógeno o a la hidruración; es necesario limitar el potencial estructura-electrolito por debajo del potencial de evolución de hidrógeno.

Metales Anfóteros Algunos metales, en especial el aluminio y el plomo, están sujetos a la corrosión tanto en medios alcalinas como ácidos, lo cual puede afectar la efectividad de la protección catódica. La sobreprotección de los metales anfóteros producirá un aumento del pH en la interfase metal/electrolito. A un pH elevado, los óxidos protectores formados sobre estos metales se disuelven, pudiendo así el metal reaccionar directamente con el agua, provocando una corrosión rápida. El zinc se corroe en condiciones alcalinas en las que el pH es superior a 12.5. El aluminio no se corroe en cual3

M. Pourbaix, Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions, NACE, Houston, TX, 1974

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:13

quier condición alcalina. La velocidad de corrosión de la aleación de aluminio 1100 en hidróxido de sodio y carbonato de sodio aumenta rápidamente con un pH por encima de 9. En presencia de metales anfóteros, deben evitarse los potenciales que producen un pH elevado. La SP016996 de NACE recomienda que el potencial del aluminio no exceda -1200 mV (CSE) bajo protección catódica.

Corrosión, mm/año

La Figura 2.7 muestra el efecto del pH sobre la corrosión del zinc. 6,0 5,0 4,0 HCl

3,0

NaOH

2,0 1,0 0,0 0

5

10

15

pH Figura 2.7 Efecto del pH sobre la Corrosión del Zinc 4

Resumen del Efecto de los Materiales sobre el Diseño de PC Los materiales de construcción juegan un papel fundamental en el diseño de la protección catódica. Las precauciones mencionadas tienen un impacto directo sobre la efectividad o seguridad a la hora de aplicar protección catódica a una determinada estructura o componente.

4

Zinc: Its Corrosion Resistance, C.J. Slunder and W.K. Boyd, International Lead Zinc Research Organization, Inc., New York, NY.

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:14

Efectos Combinados de Materiales y Medio Corrosión bajo Tensiones La corrosión bajo tensiones (SCC) es la falla de un metal bajo una esfuerzo de tracción (ya sea aplicada externamente o una tensión residual interna) en presencia de un medio corrosivo. El medio corrosivo que provoca la SCC generalmente es específico. En la Tabla 2.4 se listan algunos metales comunes susceptibles a la SCC.

Tabla 2.4 Metales susceptibles a la SCC Aceros al carbono Cobre Aluminio Aceros inoxidables es de las series 200 y 300 Aceros inoxidables es de la serie 400 (martensítico) Titanio

Carbonatos acuosos, nitratos, hidróxidos acuosos Aminas, amoníaco, nitratos y nitritos, vapor Cloruros Cloruros, hidróxidos, sulfuros con cloruros Hidróxidos, nitratos, sulfuros con cloruros Solventes clorados

La grieta se inicia en algún defecto de la superficie del metal, por ejemplo en una penetración por corrosión, inclusión en el metal o cualquier otro factor que eleve la tensión. La Figura 2.8 muestra una típica falla ramificada producida por la corrosión bajo tensiones.

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:15

Figura 2.8 Corrosión bajo Tensiones del Latón

Por lo general, la protección catódica reduce o elimina la corrosión bajo tensiones en muchos medios porque detiene el proceso de la corrosión; sin embargo, el acero al carbono es susceptible a la SCC en hidróxidos y carbonatos. Se han identificado dos tipos distintos de corrosión bajo tensiones de tuberías en suelos. A valores de pH entre 6.5 y 7.5, se ha identificado un tipo de SCC transgranular, causada por la formación de hidrógeno. A valores de pH entre 8 y 10.5, puede haber SCC intergranular. Para los valores más altos de pH, la generación de hidrógeno se detiene o desacelera y el acero comienza a formar una película pasiva; pero la ruptura de esta película seguida por la corrosión del acero expuesto hace que la falla crezca. La corrosión bajo tensiones está asociada a las siguientes condiciones: •



Carbonatos y bicarbonatos en la interfase del metal, formados por la reacción del dióxido de carbono en el suelo con el hidróxido generado por la reacción de protección catódica. Ésta es una condición localizada en la interfase metal-electrolito, y no está relacionada con la composición química del electrolito. Un rango de potenciales en la superficie del metal entre –525 mV y –725 mV (CSE). Este rango de potenciales no es fijo y

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

• • • • •

2:16

disminuye (se hace ligeramente más negativo) y se angosta a medida que aumenta el pH. Holidays y revestimiento despegado sobre el tubo Temperaturas sobre la superficie del tubo entre 22°C y 90 °C (72°F y 195 °F) Un nivel de tensión mayor al 60% de la tensión de fluencia mínima. La carga cíclica también aumenta las posibilidades de que haya SCC El aspecto metalúrgico de la estructura y de acabado de la superficie también puede influir sobre la aparición de la SCC La presencia de cáscaras de laminación de la superficie del tubo aumenta las posibilidades de que haya SCC.

El uso efectivo de la protección catódica reducirá la aparición de la corrosión, especialmente del picado que puede ofrecer sitios donde se inicie la SCC. La SP0169 de NACE aconseja que no se deberían utilizar potenciales más electropositivos que -850 mV CSE, cuando hay sospecha de condiciones que pueden promover o conducir a SCC.

Métodos de Fabricación Mecánicos Los métodos mecánicos para unir componentes en una estructura pueden afectar su susceptibilidad a la corrosión y a la aplicación de la protección catódica. Las conexiones mecánicas no son necesariamente buenos conductores eléctricos. Con frecuencia, las películas delgadas de productos de corrosión (óxidos) constituyen aislantes eléctricos entre los componentes unidos. Las grietas que se producen en las uniones mecánicas pueden introducir medios corrosivos. Por lo general, la zona que se halla dentro de una grieta tiene poco oxígeno disuelto y se convierte en el ánodo de una celda de aireación diferencial. El efecto de las grietas sobre la corrosión muchas veces es contrarrestado mediante la polarización catódica de la superficie por fuera de la grieta hasta un potencial lo suficientemente negativo como para evitar un ataque agresivo por grietas. Por lo general los métodos mecánicos no son deseables en una estructura a la que se piensa aplicar protección catódica.

Soldadura de Fusión La soldadura garantiza la continuidad electrónica de una porción de la es-

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:17

tructura a otra. Las soldaduras de fusión completas son más resistentes a la corrosión que las soldaduras por costuras y más apropiadas desde el punto de vista de la efectividad de la protección catódica en el largo plazo.

Resumen de los Efectos de la Fabricación sobre el Diseño de PC El ingeniero a cargo del diseño debe conocer en profundidad los métodos de fabricación empleados al construir la estructura para la cual se diseña la protección catódica. Con frecuencia, en algunas formas de construcción, se hace necesario instalar puentes para garantizar la continuidad eléctrica.

Continuidad Eléctrica y Resistencia Lineal Métodos de Unión Como ya se indicó en el apartado Métodos de Fabricación, una unión mecánica puede producir una conexión eléctricamente discontinua entre los componentes. Muchas veces, las tuberías roscadas y las secciones de tubería unidas por remaches o cuplas mecánicas se traducen en cantidades significativas de resistencia lineal en una tubería. Las juntas mecánicas pueden inclusive actuar como juntas aislantes. Cuando hay que aplicar protección catódica al acero dentro de estructuras de hormigón reforzado, es fundamental establecer la continuidad eléctrica entre los diversos componentes metálicos. Si parte del acero de refuerzo queda desconectado, no recibirá corriente de protección y puede verse sujeto a una interferencia corrosiva.

Resistividad La resistividad es la propiedad de un material que define su resistencia al flujo de la carga eléctrica. La resistividad de un material puede determinar hace midiendo la resistencia a lo largo de una longitud conocida del material, conociendo también su superficie transversal.

ρ =

RA L donde: ρ = resistividad R = resistencia de la longitud de la muestra

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Eq. 2.3

Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:18

A = área de la sección transversal de la muestra L = longitud de la muestra La resistencia lineal de una estructura es directamente proporcional a la resistividad del material. A partir de la ecuación anterior:

R =

ρL A

Ec. 2.4

Cuanto mayor sea la resistividad, mayor será la resistencia por unidad de longitud. La resistividad es más importante cuando la superficie transversal es pequeña o cuando el conductor de la corriente es largo.

Espesor del Metal La superficie transversal de metal en un determinado componente tiene una importante influencia sobre la resistencia lineal. En este caso, la resistencia es inversamente proporcional a la superficie transversal del conductor. Un tubo con pared delgada presentará una mayor resistencia eléctrica por unidad de longitud que un tubo del mismo material con pared más gruesa.

Resumen del Efecto de la Continuidad Eléctrica sobre el Diseño de la PC Si se piensa aplicar protección catódica a una estructura metálica larga, en especial si el medio es muy conductor (tiene baja resistividad), la continuidad eléctrica es un factor fundamental. A medida que la corriente se acumula en una estructura metálica larga, produce una caída de potencial a lo largo de la estructura. Esta caída de potencial aumenta cuando aumenta el flujo de corriente. Este efecto se conoce con el nombre de atenuación. La atenuación es un factor muy importante en el diseño de sistemas de protección catódica para tuberías largas o para sistemas con largos tramos de ánodos paralelos a la estructura. Estos últimos sistemas son usuales cuando debe suministrarse corriente a ánodos lejanos mediante largos cables conectores.

Geometría Cuando una estructura incluye muchos componentes, como en el caso de un conjunto de pilotes de fundación, una parte de la estructura puede actuar de pantalla para otra parte, impidiendo que ésta última reciba una co-

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:19

rriente de protección adecuada. Al diseñar un sistema de protección catódica, hay que tener en cuenta la presencia de otras estructuras cercanas o que se crucen con la estructura a proteger. La corriente vagabunda proveniente del sistema de protección catódica puede tener un efecto adverso sobre las estructuras circundantes. Este efecto puede estar relacionado con la ubicación del ánodo de protección catódica o con las fallas en el revestimiento de la estructura protegida, que pueden provocar zonas de intercambio de corriente con estructuras cercanas.

Gradientes de Potencial Provenientes de Fuentes y Sumideros de Corriente La siguiente ecuación describe el aumento de potencial en la tierra, en cualquier punto x, causado por la corriente que ingresa (o abandona) la tierra a través de un electrodo vertical, que comienza en la superficie de la tierra5:

(

⎡ L + L2 + Xr 2 ρI Vr = ⋅ ln⎢ 2πL ⎣⎢ Xr

)

0.5

⎤ ⎥ ⎦⎥

Eq. 2.5

Donde: I = corriente suministrada (por el ánodo) a la tierra (A) ρ = resistividad promedio de la tierra (ohm-m) L = longitud de la varilla bajo nivel (metros) Xr = distancia (en metros) desde el centro del ánodo hasta el punto x Vr = el aumento de potencial en x (voltios) con respecto al terreno remoto

5

Corrosion Handbook, H.H. Uhlig, Editor, 1948, p. 941, John Wiley & Sons, Inc., New York

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:20

La Figura 2-9 es un gráfico del aumento de potencial por A de corriente

Voltios/A

alrededor de un único electrodo vertical que penetra 2 metros en el suelo . 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 1

10

100

Distancia de la Fuente, (m) (escala logarítmica) Figura 2.9 Aumento de potencial (voltios/amp) alrededor de una jabalina (o varilla) de 2 metros en un suelo de 10 ohm-m. Si Xr es aproximadamente 10 veces mayor que L, entonces la ecuación se reduce a:

Vr

=

0.16Iρ Xr

Ec. 2.6

En esta fórmula simplificada, se hace evidente que el aumento de potencial (Vr) es inversamente proporcional a la distancia Xr de la fuente (ánodo) o sumidero (metal expuesto sobre una superficie catódica) de corriente. La relación entre el aumento de potencial en el punto distante Xr de un ánodo vertical y el aumento de potencial del ánodo medido con respecto al terreno remoto, puede estimarse usando la relación dada por la ecuación de aumento de voltaje a I amperios:

(

⎡ L + L2 + Xr 2 ρI ⋅ ln⎢ Vr = 2πL ⎢⎣ Xr

)

0.5

⎤ ⎥ ⎥⎦

Eq. 2.7

con respecto a I amperios multiplicados por la ecuación de Dwight para una jabalina vertical:

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

V = IR =

2:21

ρI ⎡ ⎛ 8L ⎞ ⎤ ln⎜ ⎟ − 1 2πL ⎢⎣ ⎝ d ⎠ ⎥⎦

Dividimos y se obtiene:

(

⎡ L + L2 + X 2 r ln⎢ X r ⎢ Vr = ⎣ IR ⎡ 8L ⎤ ln⎢ ⎥ − 1 ⎣d⎦

)

0.5

⎤ ⎥ ⎥⎦

donde: Vr = IR = Xr = L= d=

aumento de voltaje por amperio a una distancia de Xr metros del ánodo (voltios) potencial entre el ánodo y el terreno remoto para una corriente de 1 amperio distancia del ánodo longitud del ánodo por debajo de la superficie (metros) diámetro del ánodo (metros)

Nótese que esta fórmula es independiente de la resistividad y de la corriente, y que permite estimar la relativa “remoticidad” de un ánodo con respecto a las estructuras existentes en la zona. El gráfico de la Figura 2-10 muestra el gradiente de potencial en el suelo como porcentaje del potencial del electrodo con respecto al terreno remoto. También se indica el porcentaje de gradiente de potencial del electrodo que entra dentro de la distancia entre el punto de interés y el electrodo.

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:22

Gradiente de Potencial como Porcentaje del Voltaje del Electrodo Medido con Respecto al Terreno Remoto

Gradiente Relativo al Potencial del Electrodo (Electrodo de 2 m de largo, 0.3 m diám.) 100,00 90,00 80,00 70,00

dentro de X

60,00 50,00

fuera de X

40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,1

1

10

100

X, Distancia, m (log scale)

Figura 2.10 Gradiente de potencial como porcentaje del potencial del electrodo al terreno remoto

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:23

Estimación de la Corriente Requerida Necesidad El diseño de un sistema de protección catódica requiere de algún tipo de estimación de la corriente necesaria para suministrar protección a la estructura. El trabajo de campo es una de las partes más importantes del proceso de diseño. Con el trabajo preliminar, se pueden evitar muchos errores que pueden resultar costosos, en especial en sistemas inusuales o complejos.

Requerimientos de Corriente Para estimar la corriente requerida para la protección catódica antes de construir una estructura, es preciso hacer varias presuposiciones. El procedimiento es el siguiente: • • •





obtener información general acerca del medio. si el requerimiento de corriente para el material en ese medio específico está documentado, usar esa cifra. si el medio o las condiciones de operación son inusuales o dudosas, realizar ensayos de laboratorio usando una superficie conocida del material bajo las condiciones ambientales que encontrará la estructura. estimar la superficie total de metal que estará en contacto con el medio. Si se han de usar revestimientos protectores junto con la protección catódica, estime cuánto de la estructura quedará desprotegido por el recubrimiento. calcule la corriente total requerida para la protección catódica usando la siguiente fórmula:

It = A s i donde: It = corriente total requerida As = superficie metálica expuesta i = densidad de corriente requerida

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Ec. 2.8

Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:24

La Tabla 2.4 es una guía para estimar la magnitud de la densidad de corriente necesaria para la protección catódica en una variedad de medios.

Tabla 2.5 Valores típicos de corriente requerida para el acero libre de influencias galvánicas perjudiciales en varios medios MEDIO

ACERO DESNUDO: Suelo estéril, neutro Suelo neutro bien aireado Suelo seco bien aireado Suelo húmedo, condiciones moderadas/severas Suelo altamente ácido Suelo que favorece la presencia de bacterias reductoras de sulfatos Suelo recalentado (por ej., línea de descarga de agua caliente) Hormigón seco Hormigón húmedo Agua dulce estancada Agua dulce en movimiento Agua dulce con mucha turbulencia y alto contenido de oxígeno disuelto Agua caliente Agua estuaria contaminada Agua de mar Soluciones con productos químicos, ácidas o alcalinas, en tanques de proceso Cajas de agua de intercambiadores de calor con placas y tubos no ferrosos ACEROS BIEN REVESTIDOS: Suelos

Densidad de Corriente Requerida mA/m2 ÷ 10.76 = mA/ft2 4.2 - 16.1 21.5 - 32.3 5.4 - 16.1 26.9 - 64.6 53.8 - 161.4 451.9 53.8 - 269.0 5.4 - 16.1 53.8 - 269.0 53.8 53.8 - 64.6 53.8 - 161.4 53.8 - 161.4 538.0 - 1614.0 53.8 - 269.0 53.8 - 269.0 1345.0 total

0.01 - 0.2

Ensayos de Campo Cuando se instala una estructura en su ubicación definitiva, generalmente resulta posible realizar ensayos para determinar el requerimiento de corriente; estos ensayos tienen la ventaja de suministrar datos acerca de la estructura real, y no requieren de presupuestos en cuanto a la efectividad del revestimiento y otros factores. Las estructuras que han sido diseñadas para aplicarles protección catódica (por ejemplo, tuberías aisladas y recubiertas) pueden medirse en su totalidad. Las estructuras con interco-

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:25

nexiones a elementos metálicos por fuera de la zona de protección son más difíciles de medir. Por lo general, para los ensayos de requerimiento de corriente es preciso instalar un sistema de ánodos permanente o sólo a los fines del ensayo. El objetivo consiste en introducir corriente en la tierra en el sitio donde se ubicará el dispersor (ánodo) permanente. En el caso de estructuras largas, puede elegirse una sección de muestra representativa para la etapa inicial de los ensayos. Luego se conecta una fuente de energía adecuada (baterías, rectificador de ensayo o sistema con generador) entre la estructura y el dispersor de ensayo, como vemos en la Figura 2.11. Se aplica la corriente de ensayo entre el dispersor y la estructura y se miden sus efectos sobre ésta última. Ánodo (Contra Electrodo)

Electrodo de Referencia

_ V +

+ _

A

Estructura (Electrodo de Trabajo)

Figura 2.11. Circuito de un Ensayo de Requerimiento de Corriente Algunos de los ensayos que pueden llevarse a cabo son: • • • • •

medición electroquímica del desplazamiento por polarización. análisis de redes (network) para determinar la distribución de corriente en los sistemas de tubos y cables. ensayos para localizar las puestas a tierra en estructuras que deben estar aisladas. determinar la mejor ubicación permanente para el lecho anódico. posibles efectos de interferencia con otras estructuras.

Si se está midiendo el efecto de la corriente aplicada solamente sobre una porción de una estructura larga (tubo o cable), muchas veces es posible realizar un ensayo piloto. La Figura 2.12 muestra uno de los posibles enfoques para determinar el espaciamiento entre ánodos a lo largo de una estructura de este tipo.

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

A

+

_

2:26

I E

1 2a 2b 2c

Siguiente Ánodo

Ánodo

Estructura D 2D

Ajustar distancia "D" de manera que Δ E2/Δ I = 0.5 Δ E1/Δ I Colocar el siguiente ánodo a 2Dxunidad de longitud del primer ánodo Figura 2.12 Ensayo de Requerimiento de Corriente para un Sistema de Ánodos Distribuidos Se coloca un ánodo de ensayo a una distancia perpendicular aceptable de la estructura a proteger. La distancia puede estar determinada por limitaciones de espacio (por ej., dentro de la traza de la instalación) o por la presencia de otras estructuras. Luego se coloca un electrodo de referencia sobre la estructura del lado opuesto del ánodo de ensayo. Se mide el cambio del potencial estructura-suelo por amperio de corriente de ensayo (factor de acoplamiento, o coupling factor R1,I):

R1,I = ΔV1/ΔI = (V1on – V1off)/(Ion–Ioff)

Eq. 2.9

donde: R1,I ΔV1 ΔI

= cambio en el potencial estructura-suelo en el punto 1 por amperio de corriente = cambio de potencial en el punto 1 = cambio en la corriente de ensayo

Luego se mueve el electrodo de referencia a lo largo de la estructura hasta que el cambio de potencial (ΔV2) producido por la corriente (I) sea igual a 0.5 x R1,I. Entonces se coloca el segundo ánodo a una distancia de 2D del primer ánodo, y se instalan los ánodos sucesivos a lo largo de la estructura, siempre con un espaciamiento entre ánodos igual a 2D. Se puede obtener una estimación bastante precisa de la corriente requerida para proteger esta estructura, instalando tres a cinco ánodos de ensayo de esta manera. Luego se llevan a cabo los ensayos de polarización para determinar la cantidad de corriente que se requiere para alcanzar los crite-

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2:27

rios de protección en la parte opuesta al ánodo central del grupo. Entonces podemos calcular la corriente requerida para toda la estructura y la cantidad de ánodos requerida.

Ejemplo 2.1 Se está corroyendo el neutro concéntrico de un cable eléctrico enterrado. Se aplicará protección catódica a 914 metros (3000 pies) de este cable, usando una ristra de ánodos colocados a lo largo del cordón de la vereda. El técnico de corrosión usa el método indicado en la Figura 2.12 para determinar el espaciamiento entre ánodos. El ensayo nos indica que se deberán disponer ánodos a una separación entre centro de 9.1 metros (30 pies) para alcanzar los requerimientos : ΔV2/ΔI = 0.5 ΔV1/ΔI para D = 4.6 m (15 pies.) El técnico dispone 5 varillas enterradas a una distancia de 30 pies entre centros. Luego a todas las varillas se les mide la resistencia con respecto al neutro. Los valores indican una dispersión de sólo el 15% en estas resistencias. Esto asegura que las varillas van a descargar cantidades similares de corriente cuando se las agrupe como ánodos. Se conectan luego las jabalinas para formar un ánodo de ensayo distribuido a lo largo de 45.7 metros (150 pies) de cable. Usando un circuito similar al de la Figura 2.11, el técnico lleva a cabo un ensayo E log i. La pendiente de Tafel comienza a una corriente de 150 mA. ¿Cuáles son los requerimientos totales en cuanto a corriente y cantidad de ánodos para proteger los 914 metros (3000 pies) de neutro del cable? Como los ánodos van a estar separados 9.1 metros (30 pies) entre centros, el número total de ánodos requerido resulta de 914/9.1 +1 = 101 ánodos. En el ensayo, el drenaje promedio de corriente desde cada ánodo para la salida total requerida de 150 mA fue de 150 mA/5 = 30 mA La corriente total requerida para proteger los 914 m (3000 pies) de cable es de 30 mA x 101 = 3030 mA = 3 A

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:28

Recubrimientos En muchas ocasiones, los revestimientos dieléctricos ejercen la mayor parte del control de la corrosión en estructuras expuestas a medios corrosivos. Si un recubrimiento tiene excelentes propiedades dieléctricas y no se degrada bajo las condiciones alcalinas producidas por la protección catódica, será compatible con ésta. Los revestimientos altamente dieléctricos de tipo orgánico reducirán en gran medida los requerimientos totales de corriente de un sistema de protección catódica, ya que el revestimiento efectivamente separa la mayor parte de la superficie metálica del contacto directo con el medio, por lo que el sistema de protección catódica sólo debe proteger las pequeñas superficies dañadas (holidays). Por lo general, los revestimientos con malas propiedades dieléctricas requerirán de una corriente de protección catódica significativamente mayor para controlar la corrosión. En el caso de estructuras largas, en medios muy conductores (por ej., agua de mar), las propiedades dieléctricas del recubrimiento tienen un impacto significativo sobre la atenuación. Cuanto peores sean las propiedades dieléctricas, mayor será la atenuación. No podemos dejar de enfatizar la importancia de los revestimientos a la hora de diseñar un sistema de protección catódica. Por esto, es muy importante tener conocimientos sólidos acerca de los diferentes tipos y propiedades de revestimientos que se usan junto con la protección catódica.

General Un revestimiento dieléctrico correctamente seleccionado y aplicado tiene un efecto beneficioso inmenso sobre la distribución de la corriente y reduce los requerimientos totales de corriente. Esto se logra logrando una separación casi total entre el metal de la estructura y su medio. El principal efecto del revestimiento está relacionado con su elevada resistividad, lo que aumenta la resistencia por pérdidas (leakage resistance) de la estructura, RL, minimizando por lo tanto la atenuación de la corriente. Como vemos en la Figura 2.13, la resistencia por pérdidas de la estructura (RL,S) es la suma de la resistencia por pérdidas del revestimiento (RL,C) y la resistencia por pérdidas con respecto al terreno remoto (RL,E).

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

A c e r o

R e v e s t i m i e n t o

2:29

Electrolito

R L,C

RL,E

Figura 2.13 Resistencia por Pérdidas de una Estructura Recubierta con respecto al Terreno Remoto La resistencia por pérdidas del revestimiento está en función de su resistividad eléctrica, espesor y superficie expuesta al electrolito. Por consiguiente:

ρc t AS

R LC =

donde: RLC ρc t As

Eq. 2.10

= resistencia del revestimiento en ohmios = resistividad eléctrica del revestimiento en ohm-cm = espesor del revestimiento en cm = superficie revestida en cm2.

Las resistividades típicas de los revestimientos de tuberías que se usan hoy en día están en el orden de los 1010 a 1012 ohm-cm, y su espesor normalmente es de alrededor de 0.03 cm (12 mils). Los revestimientos anteriores eran mucho más gruesos. Algunas mastiques llegaban a tener 2 cm de espesor. La resistencia RLC de un metro cuadrado de un revestimiento muy delgado sería:

R LC RLC

(10 =

10

)

ohm − cm × (0.03 cm ) 10 4 cm 2

= 30,000 ohmios para 1 metro cuadrado de superficie.

El valor de la resistencia por pérdidas, RL,E, desde fuera del revestimiento hasta el terreno remoto, puede estimarse suponiendo que la superficie es un disco, con una superficie de 1 metro cuadrado. En este caso, la resistencia, RL,E, está dada por la siguiente expresión:

R L,E =

ρs 2d

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Ec. 2.11

Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:30

donde: ρs d

= resistividad del electrolito en ohm-cm = diámetro del disco, en cm

Para un disco con una superficie de 1 x 104 cm2 (es decir, 1 m2), el diámetro sería: AS 10 4 =2 = 113 cm π π

d=2

Por lo tanto, para una resistividad del suelo de 1,000 ohm-cm

R L,E =

1,000 ohm − cm = 4.42 ohm para 1 metro cuadrado de superficie. 2 × 113 cm

Este ejemplo demuestra que la resistencia del revestimiento, RL,C, es el componente principal de la resistencia por pérdidas total de la estructura. La resistencia por pérdidas de la mayor parte de los revestimientos decrecerá con el servicio, ya que los revestimientos se deterioran con el tiempo. Por eso es importante medir la resistencia del revestimiento periódicamente. Asumiendo que la mayor parte de la caída de voltaje se da a través del revestimiento y no en el electrolito (lo cual es generalmente cierto para la mayoría de las estructuras bien revestidas), puede determinarse la resistencia por pérdidas de la totalidad o parte de la estructura mediante la siguiente expresión:

RL ,C =

ΔVavg ΔI C , P

donde: Δ Vavg = el cambio de potencial promedio sobre la estructura con la corriente ON e instantáneamente OFF Δ Ic,p

= el cambio de corriente de protección catódica en toda o parte de la estructura.

La resistencia por pérdidas específica, r'L,C, del revestimiento se relaciona entonces con la resistencia por pérdidas promedio, RL,c, mediante la ecuación:

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:31

r'L,C = RL,C As donde As es la superficie de la porción de estructura medida. Por consiguiente, la resistencia por pérdidas específica generalmente se expresa en ohm-pie2 ú ohm-m2. La Figura 2.14 muestra el ensayo de campo para determinar la resistencia efectiva del revestimiento. T.S. 1 caída mV)

T.S. 2

Tubería Recubierta, Diám.

I1

(caída mV)

V2

V1

I CP

.D

Distancia, S

I 2

Δ V1 = (V 1,cp - on - V 1 cp - off )

Δ V2 = (V 2 cp - on - V2 cp - off )

ΔI 2 = (I 2,cp - on - I 2,cp - off ) Δ I 1 = (I 1,cp - on - I 1,cp - off ) Δ Vavg =( Δ V2 + Δ V1) / 2 (V) R’L,C = Δ Vavg/ (Δ I 2 - Δ I 1) (ohm) r’L,C = R L,C x A s,p = R L,C x π ds

(en ohm-m2 ú ohm-pie2)

Figura 2.14 Medición de la resistencia del revestimiento

La calidad de un revestimiento puede clasificarse en base a su resistencia específica o conductancia, como muestra la Tabla 2.6.

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2:32

Tabla 2.6 Conductancia por Pérdidas Tubo-Tierra Común de Algunos Revestimientos Dieléctricos en un Suelo de 1000 Ohm-Cm

Tuberías Largas con Pocos Accesorios

CONDUCTANCIA ESPECÍFICA PROMEDIO DEL REVESTIMIENTO g' o 1/r' g' o 1/r' Siemens/ft2 Siemens/m2

Calidad del Trabajo

Excelente

1 x 10-3

Tubo desnudo (2" a 12") (5 cm a 30 cm)

4 x 10-3 a 2 x 10-2

4 x 10-2 a 2 x 10-1

Excelente

5 x 10-3

Tubo desnudo (2" a 12") (5 cm a 30 cm)

4 x 10-3 a 2 x 10-2

4 x 10-2 a 2 x 10-1

Distribución de Agua o Gas con Muchos Accesorios Calidad del Trabajo

Las pérdidas eléctricas a través del revestimiento en una estructura larga, como una tubería, tienen un impacto importante sobre la distribución de la corriente que proviene de una fuente de protección catódica. Si bien es cierto que un revestimiento de buena calidad reducirá significativamente la atenuación y mejorará la distribución de corriente, la densidad de corriente sólo es uniforme a través del revestimiento. En las fallas del recubrimiento, llamadas holidays, la densidad de corriente puede ser

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2:33

muy variable. Por ejemplo, en la Figura 2.15, la densidad de corriente en el Holiday A será mucho mayor que en el Holiday B, si el ánodo está muy cerca de los holidays. Además, la densidad de corriente en un holiday también está en función del tamaño y forma del holiday. Considere que para un holiday de forma circular, la resistencia al terreno remoto se calcula:

R L, E =

ρs 4r

Donde r = radio del holiday circular.

La superficie del holiday es:

A hol = πr 2 La densidad de corriente para el holiday es:

i =

4ΔVave ΔVave ΔVave 4r = = 2 RL,E A hol ρs πr ρs πr

Por lo tanto, la densidad de corriente en holidays circulares es inversamente proporcional al radio del holiday, cualquiera sean el potencial impulsor y la resistividad del suelo. Las densidades de corriente en holidays pequeños pueden ser mucho mayores que en holidays grandes.

I c,b

I c ,a

Ánodo Holiday A

Holiday B

Ic,a > Ic,b

Figura 2.15 Densidades de Corriente en Holidays a Diferentes Distancias del Ánodo

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2:34

Tipos de Revestimientos Los revestimientos pueden clasificarse según varios parámetros. Uno de ellos es clasificarlos en orgánicos e inorgánicos.

Recubrimientos Orgánicos La mayor parte de los revestimientos son orgánicos, es decir, formados por compuestos de carbono. Éstos son los materiales que protegen de la corrosión a largo plazo a estructuras industriales, marinas, químicas y petroleras. Los revestimientos orgánicos contienen uniones carbono-carbono y también uniones carbono-otros elementos. Generalmente están hechos de cosas vivientes, o que alguna vez fueron vivientes, como aceites vegetales, ceras y grasas animales, petróleo, carbón, etc. Algunos ejemplos de revestimientos orgánicos son: alquídicos, epoxis, aceites y alquitranes.

Revestimientos Inorgánicos Los revestimientos inorgánicos no contienen uniones carbono-carbono. Generalmente están hechos de sales de sodio, litio, potasio y silicio. Tienen propiedades muy específicas y se usan mayormente en ámbitos especializados. Algunos ejemplos son: recubrimientos fosfatizantes, metálicos, silicatos, cemento y vidrio. Los revestimientos de mortero dependen del elevado pH (13±) del cemento para producir y mantener una película pasiva sobre la superficie de estructuras de acero. Los revestimientos de metales activos, como zinc (galvanizado) y aluminio, dependen en parte de sus propiedades sacrificiales para proteger el substrato de acero. Para aquéllos interesados en un análisis más profundo de los revestimientos y su relación con la protección catódica, por favor consulten el Apéndice H “Protective Coatings Supplement”.

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2:35

Uso de la Aislación Eléctrica Cuplas Galvánicas Una estructura conectada electrónicamente mediante conductores metálicos a otras estructuras, es susceptible a la formación de cuplas galvánicas. Un ejemplo excelente es una tubería de agua o gas conectada a sistemas de puesta a tierra de cobre. Los componentes de acero se vuelven ánodos (elementos que se corroen) de la cupla galvánica con el cobre. La protección catódica para estas cuplas requiere que los componentes nobles (cobre) se polaricen a un potencial al menos tan electronegativo como el de los componentes de acero.

Distribución de la Corriente La interconexión de una estructura a la que va a aplicarse protección catódica con otras estructuras tiene un efecto importante sobre la distribución de la corriente. Una estructura o elemento conectado a tierra muchas veces requiere una corriente muchas veces mayor para la protección catódica que la de una estructura idéntica que esté eléctricamente aislada de otras estructuras o sistemas de puesta a tierra.

Resumen de los Efectos de la Aislación sobre el Diseño de PC El hecho de que una estructura (a la que va a aplicarse la protección catódica) deba estar conectada a tierra o interconectada con otras estructuras a tierra, tiene un impacto significativo sobre el diseño de la protección catódica. Los sistemas de protección catódica deben contrarrestar las cuplas galvánicas introducidas por estas conexiones. Para esto, deben suministrar suficiente corriente como para polarizar significativamente los elementos de puesta a tierra.

Puesta a Tierra Por cuestiones de seguridad, algunas estructuras deben cumplir con ciertas regulaciones en lo que respecta a su puesta a tierra. Esto puede requerir que el sistema de protección catódica sea diseñado de manera de no pasar por alto los requerimientos con respecto a la puesta a tierra. Debe tenerse especial cuidado para cumplir con las regulaciones vigentes.

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2:36

Vida Útil Requerida Estructuras Existentes No se pretende que todas las estructuras duren indefinidamente. Por lo general, el propietario o ingeniero asignan la vida útil. Cuando la corrosión afecta una estructura existente, puede aparecer la necesidad de una extensión de la vida útil. En el caso de estructuras existentes sujetas a corrosión activa, es necesario realizar una estimación de su condición, mediante un relevamiento. Para contenedores, como tuberías y tanques de almacenamiento, esta evaluación puede realizarse en la forma de un análisis estadístico de profundidad del picado o historial de pérdidas. Para los componentes estructurales, la pérdida de una sección puede resultar crítica. La protección catódica no puede restaurar una estructura. Si el análisis indica que la estructura está corroída más allá de lo que se considera seguro, hay que reemplazarla, más que aplicarle protección catódica. Si la evaluación establece que la estructura está en condiciones razonables y se proyecta una vida adicional de 10 años, y lo que se desea es extenderla a 20 años, se requerirá la protección catódica sólo para 10 años adicionales.

Estructuras Nuevas A veces, hay dos opciones para aumentar la vida de una estructura nueva: aumentar el espesor del metal para compensar la corrosión activa, o usar paredes más delgadas de metal e instalar protección catódica para garantizar la vida útil necesaria. La vida económica de muchas estructuras no puede proyectarse en más allá de 30 años. Por lo tanto, muchos sistemas de protección catódica se diseñan para durar este período. En el futuro, puede decidirse si restablecer o no la protección catódica. Con frecuencia, en estructuras nuevas gran parte del control de la corrosión se alcanza a través de la aplicación de un sistema efectivo de revestimiento. Esto reduce considerablemente los requerimientos de corriente de protección catódica. Si la protección catódica forma parte del diseño de la estructura, hay que tener en cuenta que aislando la misma eléctricamente se mejorará en gran medida la efectividad y vida útil de la protección catódica.

Inspección durante la Construcción La inspección durante la construcción debe garantizar que se cumplan las especificaciones del caso, especialmente en el caso de la fabricación de

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2:37

la estructura (soldadura, uniones y juntas) y de la aplicación de revestimientos para mitigar la corrosión. Una buena inspección influirá favorablemente sobre la eficiencia de un sistema de protección catódica. Si la inspección no se hace apropiadamente, invariablemente habrá problemas por o para el sistema de protección catódica más adelante.

Efecto de la Corriente Vagabunda sobre el Diseño de PC Al diseñar sistemas de protección catódica, hay que considerar la presencia de corrientes vagabundas, tanto AC como DC. La rectificación propia de la corriente alterna fluyendo entre una estructura y un lecho de ánodos, puede hacer que el control de la protección catódica sea difícil de llevar a cabo. Es posible que el sistema de protección catódica deba tener en cuenta las zonas de descarga de corrientes vagabundas sobre la estructura a proteger. También la ubicación de los componentes de protección catódica (en especial, de los ánodos) puede verse afectada por la presencia de corrientes vagabundas continuas.

Geología Efecto sobre la Distribución de la Corriente de PC Ya hemos mencionado el efecto que tienen los mantos de roca sobre la circulación de la corriente en la tierra. Las capas de roca y materiales no conductores pueden perjudicar gravemente la distribución de las corrientes de protección catódica, especialmente en estructuras grandes, como los fondos de tanques de acero en una planta de tanques de petróleo. Los relevamientos geológicos también pueden suministrar información acerca de estratos de suelo muy conductores a varios cientos de pies de la superficie, que pueden resultar muy útiles para diseñar sistemas de protección catódica de ánodo profundo (deep anode). En estos casos, el ánodo introduce la corriente en estratos altamente conductores muy por debajo de la superficie de la tierra, lo que mejora la distribución de la corriente de protección catódica hacia las secciones más remotas de la estructura. Con este tipo de diseños, además, los gradientes de potencial producidos por la circulación de corriente desde el ánodo quedan limitados a la locación profunda, bien lejos de otras estructuras, ya que estos gradientes podrían producir interferencia por corrientes vagabundas sobre otras estructuras que los cruzan.

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2:38

Relleno (Estructura) Efecto sobre la PC El tipo de relleno empleado alrededor de una estructura puede influir sobre la efectividad de la protección catódica. Un tubo u otra estructura instalada en canto rodado grueso bien drenado pueden estar sujeto a la corrosión atmosférica, que la protección catódica no puede controlar, ya que en estos casos, no hay un paso electrolítico continuo entre el sistema de protección catódica y la superficie metálica que se corroe. En otras situaciones, la instalación de un relleno de baja calidad (piedras grandes y desechos similares) puede dañar severamente los revestimientos protectores que se hayan aplicado a la estructura, aumentando significativamente la cantidad de corriente de protección catódica necesaria para controlar la corrosión.

Estructuras Circundantes Efecto sobre el Diseño de PC En el diseño de protección catódica, hay que considerar la presencia de otras estructuras muy próximas o cruzando la estructura a proteger. La corriente vagabunda generada por el sistema de protección catódica puede perjudicar a las estructuras circundantes. Este efecto perjudicial puede estar relacionado con la ubicación del ánodo de protección catódica o con las fallas del revestimiento de la estructura protegida, que generan zonas localizadas de intercambio de corriente con otras estructuras cercanas.

Accesibilidad Efecto sobre el Diseño de PC La accesibilidad de una estructura para la aplicación de la protección catódica, es un punto crucial. Si no puede accederse fácilmente a la estructura para realizar las conexiones eléctricas (por ejemplo, pilotes de acero debajo de un edificio), la instalación de la protección catódica puede resultar difícil, si no imposible. Es importante resolver los problemas de accesibilidad durante la etapa de diseño de la estructura. Si se construye una tubería en un área inaccesible usando materiales de unión que no sean eléctricamente continuos, puede resultar prácticamente imposible

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2:39

diseñar un sistema de protección catódica económicamente viable, una vez que se ha construido e instalado la estructura.

Disponibilidad de Corriente AC Efecto sobre el Diseño de PC La presencia o ausencia de energía comercial disponible es un factor a considerar a la hora de decidir qué tipo de sistema de protección catódica se va a aplicar a una determinada estructura. Si no hay corriente AC disponible, la fuente de energía del sistema queda limitada a ánodos de sacrificio, conversores solares, generadores eólicos o generadores de energía con combustibles fósiles. A lo largo de tuberías y estructuras similares, hay que considerar la cuestión de la disponibilidad en cruces de rutas y zonas urbanas o habitadas.

Atenuación General La protección catódica de una estructura requiere que la carga eléctrica se transfiera del suelo a las superficies metálicas del tubo expuestas, con la densidad de corriente suficiente como para contrarrestar los mecanismos de corrosión que actúan en la interfase tubo-suelo. El sistema de protección catódica debe suministrar suficiente potencial eléctrico entre la estructura y el suelo como para mantener el nivel requerido de carga eléctrica en todos los puntos en que las superficies desnudas del tubo entren en contacto con la tierra. La corriente requerida está determinada con varios mecanismos relacionados con las condiciones específicas a lo largo de la estructura. En una estructura eléctricamente larga, como es el caso de una tubería, la atenuación es el término que representa la disminución del desplazamiento del potencial eléctrico tubo-suelo, producido por el sistema de protección catódica, a medida que aumenta la distancia a la fuente de corriente (por lo general, un rectificador). En una tubería, esta progresiva pérdida de potencial tubo-suelo está causada por un aumento de la resistencia del paso de corriente, y por ende, una densidad de corriente decreciente. La Figura 2.16 representa un circuito eléctrico que muestra cómo tiene lugar la atenuación. La caída de potencial es máxima cerca de la fuente, ya que allí es donde hay más circulación de corriente en el tubo. Cuanto menor es la atenuación, mayor es el espaciamiento que se puede asignar a las fuentes de protección catódica a lo largo de la tubería.

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2:40

Unidad de longitud rS

rS rL

rL

rS I

rL

rS I

rL

rS I

rL

I

+

E

Terreno Remoto

rS = resistencia lineal por unidad de la estructura (ohmios) rL= resistencia por pérdidas por unidad (ohmios) g =1/rL = conductancia por pérdidas por unidad (S)

Figura 2.16 Diagrama del circuito de atenuación

En el siguiente apartado, ofrecemos seis ecuaciones matemáticas que definen la atenuación y resultan útiles para estimar el efecto de la atenuación cuando se diseña la protección catódica para una tubería larga. Las constantes principales utilizadas en las ecuaciones son: "r", la resistencia por unidad a lo largo de la tubería y "g", la conductancia por unidad entre el tubo y el suelo. La resistencia lineal por unidad está controlada por la cantidad de metal en la pared del tubo: cuanto más gruesa sea la pared, mejor será la conductividad eléctrica, y por lo tanto, menor será la resistencia eléctrica por unidad de longitud. La atenuación será menor cuanto menor sea la resistencia por unidad de la estructura. La conductancia por unidad entre el tubo y el sueño depende de la efectividad del recubrimiento dieléctrico aplicado al tubo y de la conductancia eléctrica del suelo. La conductancia es la recíproca de la resistencia. La atenuación será menor cuanto menor sea la conductancia tubo-suelo por unidad. Por lo tanto, un revestimiento de buena calidad y una elevada resistividad del suelo reducen la atenuación. Veamos ahora cómo puede encararse el problema de la atenuación, considerando la distribución de la corriente desde una única fuente hacia una estructura larga, como por ejemplo, una tubería.

Cálculos La Figura 2.18 muestra las fórmulas básicas para calcular los efectos de la atenuación. Las ecuaciones generales (1–6) para corriente continua se han derivado a partir de ecuaciones más generales, que rigen la atenua-

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2:41

ción en las líneas de transmisión largas de la industria eléctrica. Se excluyen los factores relacionados con la corriente alterna. Las ecuaciones presuponen que hay un barra ómnibus de resistencia cero en el terreno remoto; en consecuencia, el potencial, E, es la diferencia de potencial entre la estructura y el terreno remoto. Estas ecuaciones también asumen una conductancia por pérdidas del revestimiento por unidad que sea constante y una resistividad del suelo uniforme para todos los tramos. Las fallas de revestimiento mayores de lo normal o los accesorios conectados a la estructura, que ofrecen un paso de fuga a la corriente, pueden tener un efecto significativo. Las variables más importantes son las siguientes: La constante de propagación o atenuación, α, que está determinada por la resistencia eléctrica por unidad de superficie de la estructura, y por la conductancia por pérdidas por unidad de longitud entre la estructura y el terreno remoto. Se define mediante la siguiente expresión: α = (rg)0.5 donde r es la resistencia en ohmios por unidad de longitud de la estructura, y g es la conductancia por pérdidas, en Siemens por unidad de longitud. Dado que la conductancia es la recíproca de la resistencia, la ecuación puede escribirse de la siguiente forma:

Es, I s

α Pequeña α Moderada α Grande

Distancia

Figura 2.17 Característica de la Atenuación versus Constante de Atenuación

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2:42

Fórmulas de Atenuación de la DC Is

Ir

Circuito de Atenuación Es

Er

y

x Punto de Interés

α = rg

constante de propagación o atenuación

RG =

resistencia característica (ohmios)

r g

r=

resistencia lineal por unidad, ohmios/unidad de longitud

g=

conductancia a tierra por unidad, S/unidad de longitud

x=

cantidad de unidades de longitud desde el extremo receptor

y=

cantidad de unidades de longitud desde el extremo de inyección Ecuaciones Generales

Donde:

1. E = Er cosh(αx ) + R GIr sinh(αx ) Er

( )

2. I = Ir cosh αx +

( ) sinh(αx) Er RG

3. E = Es cosh(αy ) − R GIs sinh(αy ) 4. I = Is cosh(αy ) −

( ) sinh(αy ) Es RG

Ir

= potencial del extremo receptor

= corriente del extremo receptor

Es = potencial del extremo de inyección

Is

= corriente del extremo de inyección

5. R so = R G coth(αx )

Rso = Resistencia vista en la dirección de una línea abierta

6. R G =

Rss = Resistencia vista en la dirección de una línea en corto

R soR ss

Figura 2.18 Fórmulas de Atenuación de DC

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2:43

rs rL

α=

donde rs es la resistencia lineal por unidad de la estructura (ohmios/unidad de longitud) y rL es la resistencia por unidad de la estructura al terreno remoto (ohmios-unidad de longitud). El valor de la resistencia lineal por unidad de la estructura se calcula a partir de la superficie transversal del metal en un determinado tramo de la estructura, la longitud del tramo y la resistividad del metal.

r =

ρL A

o para una tubería, r =

ρL π

(OD 4

2

− ID 2

)

donde OD = diámetro externo del tubo ID = diámetro interno del tubo

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2:44

Ejemplo 2.2 Consideremos un tubo de acero de 60.96cm (24 in.) de diámetro y un espesor de pared de 1.27 cm (0.5 in.). Asumimos que la resistividad del acero es de 13.4 μohm-cm (5.29 μohm-in.). La superficie transversal, , A, de la pared del tubo será de 238.15 cm2 (36.91 in2). Si seleccionamos una unidad de longitud, L, de 16.09 km (10.0 millas), la resistencia lineal de una unidad de longitud del tubo será: r =

13.4 × 10 −6 ohm − cm × 16.09 × 10 5 cm = 0.0905 ohm/unidad 238.15cm 2

El valor de la conductancia por pérdidas, g, depende del tipo de recubrimiento, resistividad del suelo y cantidad y tamaño de fallas en el recubrimiento. Mientras la resistencia del tubo puede calcularse exactamente, la conductancia por pérdidas sólo puede estimarse en base a la experiencia o mediante mediciones sobre la estructura ya instalada. La Tabla 2.6 ofrece algunos valores comunes de conductancia por pérdidas específica, g' , en un suelo de 1000 ohm-cm. Si se proyecta un revestimiento de excelente calidad, sin fallas (holidays) mayores, podemos asumir una conductancia por pérdidas específica de 4.3 x 10–5 S/m2 en un suelo de 1000 ohm-cm. Esto equivale a una resistencia específica promedio tubo-terreno remoto de 23255 ohms-m2 (250,348 ohm-pie2). La superficie de una unidad de longitud de nuestra tubería es de:

As = πdL = π × 0.6096 m × 16090 m = 30,814 m 2 / unidad En un suelo de 1000 ohm-cm, la conductancia por pérdidas por unidad es: g1000 = g' x As g = 4.3 ×10 −5 s / m 2 × 30,814m 2 = 1.325S / unidad

g1000 = conductancia por pérdida por unidad en un suelo de 1000 ohm-cm g' = conductancia por pérdidas específica, s/m2 As = superficie de estructura recubierta

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2:45

Tabla 2.6 Valores Comunes de Conductancia por Pérdidas Específica Tubo-Tierra para Revestimientos Dieléctricos en un Suelo de 1000 Ohm Cm Tuberías Largas con Pocos Accesorios

CONDUCTANCIA ESPECÍFICA PROMEDIO DEL REVESTIMIENTO, g' Siemens/ft2

Siemens/m2

Excelente

1 x 10-3

Tubo desnudo (2" a 12") (5 cm a 30 cm)

4 x 10-3 a 2 x 10-2

4 x 10-2 a 2 x 10-1

Excelente

5 x 10-3

Tubo desnudo (2" a 12") (5 cm a 30 cm)

4 x 10-3 a 2 x 10-2

4 x 10-2 a 2 x 10-1

Calidad del Trabajo

Distribución de Agua o Gas, con Muchos Accesorios Calidad del Trabajo

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2:46

Si la resistividad promedio del suelo es de 5,000 ohm-cm en lugar de 1000 ohm-cm, la conductancia por pérdidas será proporcionalmente menor.

g=

1.325 S ×1,000 ohm − cm = 0.265 S / unidad 5,000 ohm − cm

En un suelo de 5,000 ohm-cm, la constante de atenuación será:

α=

rg =

0 .0905 ohm ⋅ 0.265 S = 0.1549

y la resistencia característica de la tubería:

RG =

r = g

0.0905 ohm = 0.584ohm 0.265 S

Una vez calculadas la constante de propagación y las resistencias características, el diseñador puede usar las ecuaciones generales de la Figura 2.17 para calcular la distribución de la corriente y el cambio de potencial tubo-suelo para cualquier fuente de corriente que drene desde o hacia la tubería. Asumiendo que la tubería con las unidades dadas antes tiene un largo de 10 unidades de longitud y que está eléctricamente aislada en ambos extremos, el ingeniero encargado del diseño desea saber ahora cuál será el efecto de una fuente de protección catódica aplicada desde un extremo de la línea. En la ecuación 5 de la Figura 2.18, la resistencia se calcula entre la tubería y el terreno remoto, mirando hacia el extremo de la fuente, a x unidades del extremo receptor. R SO = R G coth(αx ) = 0.584 ohm coth(0.1549 ⋅ 10) = 0.639ohm Por la Ley de Ohm, 1.0A, de retorno en la fuente, desplazará el potencial del tubo al terreno remoto en: E S = 1 A ⋅ 0.639 ohm = 0.639V Ahora usaremos la Ecuación 3 de la Figura 2.18 para calcular el cambio de voltaje en el extremo receptor, a una distancia y = 10 unidades de longitud desde la fuente.

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica

2:47

E = E S cosh(αy) − R GIS sinh(αy)

E = (0.639 volt × 2.460) − (0.584 ohm × 1.00 amp × 2.247) = 0.260V El cambio de potencial en el extremo receptor es de sólo un 41% aproximadamente con respecto al del extremo de inyección. Utilizando las ecuaciones de la Figura 2.18, se puede calcular el porcentaje de corriente proveniente de la fuente que circula en cualquier punto de la tubería, como así también la corriente diferencial recibida a lo largo de la línea.

Longitud Eléctrica Como ya indicamos en párrafos anteriores, las tuberías largas y los cables colectores de un dispersor pueden representarse como líneas de transmisión eléctrica DC. La magnitud de las variables de entrada, corriente y voltaje, se reduce o atenúa a medida que aumenta la distancia al extremo de inyección de la línea, según la constante de atenuación. Si la línea es lo suficientemente larga y la constante de atenuación lo suficientemente grande, las variables de entrada se aproximarán a cero para una distancia determinada. Si en un sistema de transmisión las variables de entrada se aproximan a cero, se dice que la línea es “eléctricamente larga”. Una línea de transmisión eléctricamente larga se define como una línea donde las variables de entrada no pueden detectarse en el extremo receptor de la línea. Otra forma de definir esta característica es: una línea de transmisión con una resistencia de entrada igual a la resistencia característica. En otras palabras, a medida que aumenta la longitud de la línea, disminuye la resistencia de entrada hasta alcanzar la resistencia característica. Una vez alcanzada la resistencia característica, el agregado de longitud adicional no tiene efecto sobre la resistencia de entrada. Llegado este punto, las variables de entrada no pueden detectarse en el extremo receptor de la línea. Podemos ver todo esto en un gráfico de la resistencia de entrada (RSO) versus la longitud de la línea de transmisión del ejemplo anterior. Véase Figura 2.19.

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Factores que Influyen sobre el Diseño de Protección Catódica 10

2:48

10

Resistencia, ohmios

8

R SO ( x)

6

RG 4

2

0

0 0 0.1

2

4

6 x Cantidad de Unidades de Longitud

8

10 10

Figura 2.19 Una Estructura Eléctricamente Larga

Como ejemplo práctico del efecto que tiene un sistema de transmisión que se ha vuelto eléctricamente largo, piense en un cable colector muy largo que suministra corriente a ánodos distribuidos. A medida que la longitud del cable se aproxima a ser eléctricamente largo, el agregado de ánodos adicionales en un extremo del cable no tendrá ningún efecto sobre la resistencia a tierra del dispersor. Además, la corriente emitida por el rectificador se atenuará con la distancia a lo largo del cable colector, hasta el punto en que los últimos ánodos no drenarán corriente.

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CAPÍTULO 3 Sistemas de Protección Catódica

Sistemas de Ánodos Galvánicos Concepto Fuente de Energía Electroquímica Todos los sistemas de ánodos galvánicos dependen de la diferencia de energía electroquímica entre el material anódico y el material de la estructura; esta diferencia es la que produce la corriente. La fuerza eléctrica impulsora (potencial) disponible varía según los materiales: para un determinado material de la estructura, mayor será el voltaje disponible para producir corriente de protección catódica cuanto más activa sea la posición del material anódico en la serie de fuerzas electromotrices.

+

Ec,oc

El cátodo se polariza hasta el potencial a circuito abierto del ánodo,lo que resulta en una corriente de corrosión igual a cero.

Ec,p Ecorr E

Ea,oc

Ea,p

E’c,p Ecpa,p

_

Ecpa,oc icorr,cpi corr

icp

Log de la Densidad de la Corriente

Figura 3.1 Polarización de un metal que se corroe utilizando un ánodo de sacrificio Esta acción está ilustrada por el diagrama de Evans de la Figura 3.1. La Figura 3.2 muestra el circuito equivalente para un sistema de ánodos galvánicos.

El circuito incluye los siguientes componentes: • • • •

ánodo conexión metálica, RM (circuito metálico). estructura (cátodo). paso electrolítico, RE.= Ra + Rs

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• •

3: 2

diferencia de potencial entre ánodo y estructura, E.= Ecpa,p – Ec,p corriente de protección catódica

donde: RM Ra Rs Ecpa,p Ec,p Icp

= resistencia del circuito metálico = resistencia del ánodo al terreno remoto. = resistencia de la estructura al terreno remoto. = potencial polarizado del ánodo de protección catódica = potencial polarizado de la estructura (cátodo). = corriente de protección catódica.

E = Ecpa,p – Ec,p Ánodo

Terreno Remoto

Ra RM Icp

Rs Estructura

Figura 3.2 Esquema de un Sistema de Ánodo Galvánico La resistencia del circuito metálico (RM) está controlada por: • • • •

el tamaño del cable que une el ánodo con la estructura. cualquier resistencia eléctrica insertada en la conexión para controlar la corriente intencionalmente. la resistencia eléctrica de la unión del cable al material anódico. la resistencia de la unión del cable a la estructura.

La resistencia del circuito electrolítico (Re) incluye: • •

la resistencia del ánodo al electrolito (suelo). la resistencia de la estructura al electrolito.

Factores que influyen sobre la resistencia interna:

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• • • •

3: 3

las dimensiones físicas del ánodo. la resistividad del electrolito (suelo). las dimensiones físicas de la estructura. la presencia o ausencia de un revestimientos dieléctrico protector sobre la estructura.

El símbolo de la batería (E) del diagrama representa el potencial electroquímico entre el material anódico y el material de la estructura. El potencial consiste en la diferencia entre los potenciales de hemi-celda a circuito abierto de los materiales, menos la polarización anódica y catódica que tiene lugar en las respectivas superficies.

Ventajas Los sistemas de ánodos galvánicos tienen varias ventajas prácticas: • • • • •



poca susceptibilidad a sufrir daños por influencias externas. bajos costos de mantenimiento durante la vida útil del diseño. no requieren una fuente de energía externa, como la energía comercial. menos componentes en el sistema. son aptos para la protección de porciones eléctricamente aisladas o de estructuras segmentadas (como tramos de tubo unidos mecánicamente), en las que se usa un ánodo para suministrar protección a cada componente. al operar con potenciales bajos, raramente producen interferencia corrosiva significativa (corriente vagabunda) sobre otras estructuras.

Limitaciones Los ánodos galvánicos tienen algunas limitaciones que impiden su uso en algunas aplicaciones: • • • • •

el potencial eléctrico disponible es limitado sujetos a variaciones estacionales que afectan la operación los medios ácidos atacan directamente los materiales anódicos, y la vida útil y eficiencia se ven drásticamente limitadas la vida útil máxima depende de la calidad del material anódico la composición química del electrolito (suelo) y la temperatura pueden tener efectos indeseados sobre el potencial de hemi-celda del ánodo.

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Propiedades de los Ánodos de Magnesio Aleaciones Los ánodos de magnesio están disponibles en dos aleaciones generales: alto potencial (–1.75 voltios con respecto al electrodo de cobre/sulfato de cobre) y standard (–1.55 voltios con respecto al electrodo de cobre/sulfato de cobre). La presencia de impurezas, especialmente de hierro y otros metales pesados, puede influir significativamente sobre la velocidad de consumo (eficiencia) de la aleación. En el mejor de los casos, las aleaciones de magnesio presentan una eficiencia de aproximadamente 50%. Esto significa que durante su vida útil, aproximadamente la mitad del metal de la aleación se consume en auto-corrosión. La Tabla 3.1 ofrece una lista de las especificaciones de aleación para los ánodos de alto potencial y standard. Tabla 3.1 – Especificaciones de Aleaciones para Ánodos de Magnesio

Cr = 8 kg/A-añoÆ Ca = 1100 A-hr/kgÆ Æ@50% eficiencia O Ca = 0.125 A-año/kg Elemento

Alto Potencial

Potencial Standard –1550mV/CSE

–1750mV/CSE

Grado A

Grado B

Grado C

Al

0.010% Máx

5.3 - 6.7%

5.3 - 6.7%

5.0 - 7.0%

Mn

0.50 - 1.30%

0.15% Mín

0.15% Mín

0.15% Mín

Zn

.......

2.5 - 3.5%

2.5 - 3.5%

2.0 - 4.0%

Si

.......

0.10% Máx

0.3% Máx

0.3% Máx

Cu

0.02% Máx

0.02% Máx

0.05% Máx

0.1% Máx

Ni

0.001% Máx

0.002% Máx

0.003% Máx

0.003% Máx

Fe

0.003% Máx

0.003% Máx

0.003% Máx

0.003% Máx

Otros

0.05% cada 0.30% Máx uno o 0.03% Máx Total

0.30% Máx

0.30% Máx

Los ánodos de magnesio se fabrican en diversas formas físicas, desde cintas hasta bloques. Pueden adquirirse empaquetados con un relleno especial, que garantiza la máxima eficiencia posible y la confiabilidad para el uso enterrado. De todos los materiales comunes para ánodos de sacrificio, el magnesio es el que suministra el potencial impulsor más alto. Por

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3: 5

consiguiente, resulta sumamente útil en aplicaciones con una resistividad de electrolito medianamente alta, entre las que se incluyen el agua dulce y la mayoría de los suelos. Además, el magnesio tiene baja toxicidad y se ha usado durante muchos años para la protección catódica interna de tanques de almacenamiento de agua potable. En medios altamente conductores (agua de mar), la baja eficiencia del magnesio hace que no sea una opción económica como material de ánodos galvánicos. El magnesio puede usarse en combinación con materiales anódicos menos activos (aluminio) para polarizar rápidamente estructuras en agua de mar.

FEM El potencial de corrosión de los ánodos de magnesio está entre los –1.55 voltios CSE (aleación standard) y los –1.75 voltios CSE (aleación de alto potencial), aproximadamente. En la práctica, estos potenciales se desplazarán levemente en dirección positiva, ya que la corriente produce polarización. En la mayoría de las aplicaciones, esta polarización anódica será pequeña en comparación con otras variables. Durante el diseño, este efecto se tiene en cuenta mediante el uso de un factor de seguridad. El potencial de operación de un ánodo de magnesio es la diferencia entre el potencial de corrosión del ánodo y el potencial de hemi-celda polarizado de la estructura a la cual el ánodo está conectado.

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3: 6

Ejemplo 3.1 Si se desea que el potencial polarizado de un tanque de acero enterrado sea de –0.85 voltios CSE, ¿cuál sería el potencial de operación entre un ánodo de magnesio de aleación standard y el tanque? No tenga en cuenta la polarización del ánodo. La diferencia entre los potenciales de hemi-celda es de: E = –1.55 – (–0.85) = –0.70 voltios La resistencia entre el ánodo y el tanque es de 10 ohmios. Mediante ensayos se ha determinado que 40 miliamperios de corriente polarizarán el tanque hasta los –0.850 voltios CSE. ¿Cuánta resistencia debe insertarse entre el ánodo y el tanque para evitar una mayor polarización del tanque? Por la Ley de Ohm: E = IR = I (Rcp + RM) E = Rcp + RM I RM = E – Rcp I donde: RM = resistencia a insertar (ohmios). Rcp = la resistencia medida entre el ánodo y el tanque (10 ohmios). E = potencial entre el ánodo y el tanque de acero polarizado, según se determinó antes (0.70 voltios) I = corriente requerida para mantener la polarización del tanque (0.04 A)

RM = (0.70volt/0.040amp) –10ohm RM = 7.5 ohmios

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Capacidades Amperio Hora La velocidad de consumo de cualquier ánodo galvánico está determinada por la Ley de Faraday y la eficiencia. Ley de Faraday: W = MtI/nF donde: W M t I n F

= pérdida de peso (gramos) = peso atómico del material anódico (gramos) = tiempo (segundos) = flujo promedio de corriente (A) en el tiempo t = cantidad de electrones transferidos por átomo de metal anódico = constante de Faraday (96,500 coulombs)

Para el magnesio: M I n t W

= 24.32 gramos = 1A =2 = 1 año (3.156 x 107 seg.) = 3976 gramos/(8.767 libras)

Por lo tanto, la velocidad de consumo teórica es Cr =

3.98kg kg 3976gm = x A - año 1000gm A - año

En un año hay 8,766 horas. La capacidad amperio-hora por libra de metal anódico puede calcularse con la siguiente fórmula: Capacidad Teórica (Ca) =

8766hr A - yr 2203A - hr x = yr 3.98kg kg

Para el magnesio: Eficiencia = 50% Capacidad Práctica = 1102 A-h/kg (499.9 A-h/lb.)

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Velocidad de Consumo Práctica = 3.98kg/A-año x 2 = 7.96kg/A-año

Uso General Los ánodos de magnesio se usan comúnmente en aplicaciones en agua dulce y suelos, donde se requieren corrientes modestas. Los ánodos pueden distribuirse a lo largo de una tubería o alrededor de una estructura o grupo de estructuras más complejas. También pueden unirse e instalarse en forma de lecho anódico. Las cintas extruídas pueden colocarse en las zanjas de los tubos, envolverse alrededor de estructuras o moldearse para colocarlas dentro de contenedores.

Propiedades de los Ánodos de Zinc Aleaciones Se han desarrollado aleaciones de zinc para dos tipos generales de aplicaciones: una para uso en aguas dulces y suelos, y otra en agua de mar y agua salobre. En la Tabla 3.2 se detalla la composición de algunas aleaciones de zinc disponibles comercialmente.

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Tabla 3.2- Especificaciones de Aleaciones para Ánodos de Zinc

ÆCr = 11.9 kg/A-año

ÆCa = 738 A-hr/kg

Æ@90% eficiencia

Ecorr = -1100mV/CSE

Hi-AMPTM

Mil. Spec.

Elemento

Zinc

A-18001-H

Tipo I

Tipo II

Zinc

Al

0.1 - 0.4%

0.10 0.50%

0.10 0.50%

0.005% Máx

.......

Cd

0.025 0.06%

0.025 0.15%

0.03 0.10%

0.003% Máx

0.003% Máx

Fe

0.005% Máx

0.005% Máx

0.005% Máx

0.0014% Máx

0.0014% Máx

Pb

0.006% Máx

0.006% Máx

0.003% Máx

0.003% Máx

0.003% Máx

Cu

............

0.005% Máx

..........

...........

...........

Si

............

0.125% Máx

..........

...........

...........

Zn

Resto

Resto

Resto

Resto

Resto

Aplicación

ASTM B-418-73

Agua de mar y agua salobre (Temp. > d En esta ecuación, la longitud de la jabalina se extiende hacia abajo desde el nivel de la superficie una longitud, L, en metros. En la práctica, L representa la longitud de ánodo activo en un sistema de ánodo profundo. La parte superior al ánodo activo puede estar a una cierta distancia por debajo de la superficie. Para realizar una estimación práctica de la Manual del Curso CP 4–Especialista en Protección Catódica © NACE International, 2005 9/2005

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4:16

resistencia ánodo-terreno remoto, ignorar el efecto de la capa entre la parte superior del ánodo activo y la superficie, no parecería producir un error significativo.

Ejemplo 4.5 Asuma las resistividades de capa de Barnes que se muestran en la Figura 4.3. Estime la resistencia al terreno remoto de un ánodo profundo de 20.3 cm (8 pulgadas) de diámetro, si la sección activa está entre los 45.7 y los 76.2 metros (150 y 250 pies) bajo la superficie. Solución: Calcule la resistividad promedio del suelo en la zona en que se colocará el ánodo activo (capas d y e): Conductancia de d + e: (G) = 5.0S + 2.14S = 7.14S Resistencia de las capas: R = (1/7.14S) = 0.14 ohmios ρ = 2π s R ρ = 2 x 3.14 x 3048 cm x 0.14 ohmios = 2,680 ohm-cm Nótese que los 3048 cm (100 pies) de la ecuación anterior es el espesor total de las capas d y e. Usando la ecuación de Dwight para una jabalina vertical:

R=

ρ ⎛ ⎛ 8L ⎞ ⎞ ⎜ ln⎜ ⎟ − 1⎟ 2πL ⎜⎝ ⎝ d ⎠ ⎟⎠

2680 ohm − cm ⎛ ⎛ 8 ⋅ 30.48m ⎞ ⎞ ⎜ ln⎜⎜ ⎟⎟ − 1⎟⎟ ⎜ 100 cm . 2 03 m ⎝ ⎠ ⎠ ⎝ m 2π(30.48m) R = 0.140 ohm (6.09 ) = 0.852 ohm

R=

donde: ρ L d

= resistividad promedio del suelo (26.8 ohm-m) = longitud activa del ánodo (30.48 metros) = diámetro del ánodo (.203 metros)

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Ánodos Distribuidos Los ánodos distribuidos suelen colocarse cerca de la estructura que protegen. Esta proximidad tiende a reducir la resistencia efectiva entre el ánodo y la estructura. Por lo tanto, en este caso, una estimación de la resistencia ánodo-tierra usando la ecuación de Sunde, resulta conservadora. En los sistemas de ánodos distribuidos, la resistencia lineal del cable de alimentación puede constituir un factor significativo. Hay que considerar la atenuación de voltaje y corriente a lo largo de los cables de alimentación de los ánodos. Para calcular la atenuación, se requiere una estimación de la conductancia promedio a tierra de una unidad de longitud del sistema de ánodos distribuidos. También se requiere del valor de resistencia lineal del cable de alimentación de los ánodos. A menos que los ánodos estén muy separados en el sistema, habrá efectos de paralelismo. El campo eléctrico producido por la circulación de corriente desde un ánodo afecta el campo, y por ende, la salida de corriente, de todos los otros ánodos cercanos. Este efecto mutuo aumenta la resistencia efectiva de cada ánodo, por encima de la resistencia de un único ánodo, para una misma resistividad del suelo. Véase la Tabla 4.2 para un ejemplo en un suelo de 5,000 ohm-cm. Ecuación de Sunde RN =

⎞ ρ ⎛ ⎛ 8L ⎞ 2L ⎜⎜ ln⎜ ⎟ − 1 + ln(0.656N)⎟⎟ 2πNL ⎝ ⎝ d ⎠ s ⎠

donde: RN ρ N L d s

= resistencia del dispersor (ohmios) para N ánodos = resistividad promedio del suelo (50 ohm-m) = cantidad de ánodos en paralelo (20) = longitud de un ánodo (1.52 m) = diámetro de un ánodo (0.305 m) = separación entre ánodos en el dispersor (m)

[Ver tabla]

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4:18

Tabla 4.2 Efecto de Paralelismo

s(metros)

Rn (ohmios)

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

4.800 2.751 2.069 1.727 1.522 1.386 1.288 1.215 1.158 1.113 1.075 1.044

R promedio /ánodo (ohmios) 96.0 55.0 41.4 34.5 30.4 27.7 25.8 24.3 23.2 22.3 21.5 20.9

Para una separación mayor a los 6 metros (20 pies), generalmente se desprecia el efecto de paralelismo. La conductancia promedio, G, para un ánodo típico de 1.52 metros (5 pies) x 0.305 metros (1 pies), con una separación de 6 o más metros en un suelo de 5,000 ohm-cm es: G = 1/Ra = 1/20.9 ohmios = 0.048 Siemens Asumiendo que la unidad de longitud de un sistema anódico es la longitud de un ánodo más la longitud del cable colector entre ánodos, la conductancia por unidad del sistema anódico, g, es la conductancia promedio de un ánodo, G, calculada antes. Si se usa un cable de cobre No. 4 AWG (0.82 ohmios/1000 m), y los ánodos tienen una separación de 15 metros (49.2 pies), la resistencia unitaria del cable es: r = (0.82 ohmios/1000 m) x (15 m/unidad) = 0.0123 ohmios/unidad donde la unidad de longitud es de 15 metros. La resistencia entre el extremo de entrada de un cable largo de ánodos distribuidos y el terreno remoto está dada por la ecuación: R = RG coth(αx)

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donde: RG α x

= = =

coth =

4:19

(r/g)0.5 (resistencia característica) (rg)0.5 (constante de atenuación) distancia unitaria (cantidad de unidades) desde el extremo abierto es la cotangente hiperbólica

Ejemplo 4.6 Calcule la resistencia en el extremo de alimentación de un cable colector de ánodos distribuidos de 1,000 metros (3,280 pies) de largo, al terreno remoto. El cable es un cable de cobre AWG No. 4 (0.82 ohmios/1000 m), los ánodos tienen una separación de 15 metros (50 pies), y cada ánodo tiene 1.52 metros (5 pies) de largo y 0.3 metros (1 pie) de diámetro. La resistividad promedio del suelo es de 5,000 ohm-cm. Solución: Considere cada ánodo y los 15 m (50 pies) de cable colector como una unidad. La cantidad total de unidades del sistema es: x = (1,000/15) = 66 A partir de la Tabla 4.2 y los cálculos que se hicieron antes para 6 m, como aproximación razonable: g = 0.048 Siemens/unidad r = 0.0123 ohmios/unidad por lo tanto:

0.0123 ohm 0.5 r R G = ( ) 0.5 = ( ) = 0.506 ohm g 0.048 S α = (rg) 0.5 = (0.0123ohm x 0.048S)0.5 = 0.024 Rso = R G coth(αx ) = 0.506 ohm coth(0.024 x 66)

Rso = (0.506 ohm) (1.088) = 0.551ohm . Si no se tiene en cuenta la atenuación, ¿cuál sería la resistencia de los 66 ánodos al terreno remoto?

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RS =

4:20

1 1 = = 0.316 ohmios 66g 66 × 0.048S

Resistencia Cátodo-Tierra A partir de la estimación de las características del revestimiento Cuando calculamos la corriente necesaria para reducir el potencial a tierra hasta un valor preestablecido, básicamente estábamos calculando la resistencia cátodo-tierra. Revisemos:

• • •

Calcular la superficie total de la estructura A partir de la experiencia en la construcción y las características promedio del revestimiento, calcular la conductancia por pérdidas total para la estructuras Calcular la inversa de la conductancia total (1/G) para obtener la resistencia de la estructura al terreno remoto

A Partir de Ensayos de Campo Al igual que en los sistemas de ánodos distribuidos, al determinar la resistencia estructura-tierra puede estar involucrada la atenuación. Midiendo la resistencia entre una estructura eléctricamente aislada y cualquier estructura con una buena puesta a tierra, se obtendrá la resistencia aproximada del cátodo al terreno remoto. En el Ejemplo 4-2 se usó esta técnica. Otra posibilidad consiste en aplicar una corriente de ensayo entre la estructura y un dispersor de ensayo o el dispersor permanente, y medir la cupla estructura-tierra (ΔV/ΔA) en varios puntos sobre la estructura. El electrodo de referencia usado para obtener el desplazamiento del potencial a tierra debe estar lo suficientemente alejado de la estructura, como para que cualquier ulterior distanciamiento no haga cambiar el valor de la cupla. A menos que haya una atenuación significativa, el promedio de los distintos valores de las cuplas será la resistencia de la estructura (cátodo) al terreno remoto.

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Resistencia Total en el Circuito de DC Resistencia Ánodo-Estructura La resistencia ánodo-estructura es la suma de la resistencia del ánodo y de la estructura al terreno remoto. En el caso de una estructura sin revestir o mal revestida y de ánodos muy cercanos, la resistencia ánodoestructura será menor que la suma de las resistencias al terreno remoto. Esto se da frecuentemente cuando los ánodos se usan para proteger componentes en equipos de procesamiento o para la protección de “hot spots” (zonas críticas) de sistemas de tuberías enterrados.

Otras Fuentes de Resistencia Las conexiones eléctricas, cables y resistencia interna de sistemas de energía pueden incluir algo de resistencia. Estas resistencias están en serie con las resistencias ánodo-tierra y estructura-tierra.

Atenuación de la Corriente Las fórmulas sólo son aplicables si el medio tiene una resistividad relativamente uniforme.

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4:22

Fórmulas de Atenuación de la DC Is

Ir

Circuito de Atenuación Es

Er

y

x Punto de Interés

α = rg

Constante de propagación o atenuación

RG =

Resistencia característica (ohms)

r g

r=

Resistencia lineal por unidad, ohms/unidad de longitud

g=

Conductancia unitaria a tierra, S/unidad de longitud

x=

cantidad de unidades de longitud desde el extremo receptor

y=

cantidad de unidades de longitud desde el extremo de entrada Ecuaciones Generales

Donde:

1. E = Er cosh(αx ) + R GIr sinh(αx ) Er

( )

2. I = Ir cosh αx +

( ) sinh(αx) Er RG

3. E = Es cosh(αy ) − R GIs sinh(αy )

Ir

= potencial del extremo receptor

= corriente del extremo receptor

Es = potencial del extremo de inyección

4. I = Is cosh(αy ) −

( ) sinh(αy ) Es RG

Is

= corriente del extremo de inyección

5. R so = R G coth(αx )

Rso = Resistencia mirando hacia la línea abierta

6. R G =

Rss = Resistencia mirando hacia la línea en corto

R soR ss

Figura 4.4 Fórmulas de Atenuación

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4:23

Atenuación en el Sistema Anódico El Ejemplo 4.6 muestra el efecto de atenuación sobre la resistencia de entrada de un ánodo distribuido largo. La ecuación matemática para el desplazamiento del potencial en cualquier punto “y” entre un cable colector anódico abierto y el terreno remoto es: E = Es cosh(αy) - (IsRG) senh(αy) donde: Es Is α RG y

= el desplazamiento de potencial en el extremo de entrada del cable colector = la entrada de corriente al cable anódico = la constante de atenuación = la resistencia característica = la cantidad de unidades de longitud desde el extremo de entrada del cable anódico

Ejemplo 4.7 En el Ejemplo 4.6, ¿cuál es la salida de corriente aproximada de un ánodo ubicado a 1,000 metros del rectificador, si el potencial entre la estructura y el cable anódico en el rectificador es de 15 voltios cuando el rectificador está encendido, y de 3.0 voltios cuando está apagado? Asuma que la resistencia entre la estructura y el terreno remoto es insignificante, y que no hay una atenuación significativa en la estructura. Solución: El cambio de potencial en la fuente (Es) es: E0on - E0off = 15 - 3 = 12 voltios A partir del Ejemplo 4.6: RG α Rso

= 0.506 ohmios = 0.024 = 0.551 ohmios

Hay: 1,000 / 15 = 66 unidades de longitud (s) hasta el punto de interés (es decir, y = 66)

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E

= Es cosh(αy) - (IsRG) senh(αy)

Is

= E0/Rso = 12 voltios/0.551 ohmios = 21.8 A

E

= 12volts cosh(1.584) - (21.8Ax0.506ohm) senh(1.584)

E

= (12volts x 2.54) - (11.03volts x 2.33) = 4.78 voltios

4:24

Como la conductancia promedio de un único ánodo en el ejemplo 4-6 es de 0.048 Siemens, la corriente desde un ánodo cerca de los 1,000 m será: I

= Eg

I

= 4.78volts x 0.048S = 0.229 A

Compare este valor con el drenaje de corriente promedio de los ánodos cerca del extremo de alimentación del cable colector. I = 12.0 voltios. x 0.048 S = 0.576 A

Atenuación en la Estructura La atenuación de la corriente en una estructura larga es similar a la atenuación en un trecho largo de ánodos, descripta en los Ejemplos 4.6 y 4.7. Si la estructura es muy larga o tiene una elevada conductancia por pérdidas promedio al terreno remoto, la resistencia mirando en cada dirección desde una fuente de protección catódica será aproximadamente igual a RG (la resistencia característica). Para estructuras más cortas y estructuras con baja conductancia por pérdidas, la resistencia en cada dirección desde la fuente estará dada por la fórmula para una línea abierta que se usó en el Ejemplo 4.6. El siguiente ejemplo ilustra este concepto.

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Factores y Cálculos de Diseño

4:25

Ejemplo 4.8 Considere una tubería de acero soldada de 20.3 cm (8 pulgadas) (resistencia lineal = 0.0287 ohmios/1000 m), que tiene una conductancia por pérdidas específica medida en el revestimiento, g', de 7.5 x 10-5 Siemens/m2 promedio. La tubería tiene 32,200 metros de largo, con juntas aislantes en cada extremo. El suelo tiene una resistividad promedio de 10,000 ohm-cm en la zona. ¿Cuál es la resistencia del cátodo (estructura) al terreno remoto, desde el centro de la línea en cada dirección “vista” desde una fuente de energía ubicada allí? ¿Cuál será la relación entre la densidad de corriente recibida por la tubo en cada extremo (a 16,100 metros de la fuente) con respecto a la recibida cerca de la fuente, en el centro de la tubería? Solución:

Considere que la unidad de longitud sea de 1,000 metros. Datos: r = 0.0287 ohmios/ unidad diámetro del tubo (d) = 20.3 cm (0.203 m) g1 – conductancia por pérdidas específica = 7.5x10-5 S/m2 en un suelo de 10,000 ohm-cm g

= πdL g'

g α RG

= π(0.203m) (1000m)(7.5 x 10-5 S/m2) = 0.0478 S/unidad = (rg)0.5 = 0.037 = (r/g)0.5 = 0.775 ohmios

A partir de la ecuación #5 (Figura 4.4) Rso x Rso

= RG coth(αx) = 16,100/1000 = 16.1 unidades de longitud = 0.775ohms coth(0.037 x 16.1) = 1.45 ohmios

Entonces, la resistencia de la estructura al terreno remoto es: 1.45/2 ohmios = 0.73 ohmios.

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Factores y Cálculos de Diseño

4:26

A partir de la ecuación #3 (Figura 4.4): E

= Es cosh(αy) - RGIs senh(αy)

Asuma un desplazamiento de 1.0 voltio en el potencial tubo-terreno remoto en la fuente. Is αy E E E/Es

= Es/Rso = 1.0V/1.45Ω = 0.69A = 0.037 x 16.1 = 0.596 = 1.0V cosh(0.596) – (0.775Ω x 0.69A) senh(0.596) = 1.183V - 0.338V = 0.845 voltio = 0.845

Como la densidad de corriente recibida en la superficie del tubo desde la tierra es proporcional al desplazamiento del potencial medido con respecto a la tierra: ir = 0.845 is Nótese que todos los cálculos de atenuación de la corriente son válidos en el tiempo cero, es decir, en ausencia de polarización electroquímica. Los desplazamientos del potencial tubo-terreno remoto calculados en las ecuaciones de atenuación, constituyen la suma de las caídas óhmicas entre el tubo en el punto de interés y el terreno remoto, causadas por la circulación de la corriente que proviene de la fuente.

Vida Útil del Sistema Ánodos de Sacrificio Todos los componentes de un sistema de protección catódica tienen una vida útil finita. Los componentes del rectificador, la aislación de los cables, y los propios ánodos se deteriorarán con el tiempo. Los ánodos de sacrificio se consumen en el proceso de la producción de la corriente. LA capacidad amperio-hora (junto con el valor de eficiencia del material anódico) nos permiten determinar cuánto peso de metal anódico se requiere para suministrar una determinado cantidad de amperios-hora de corriente. Al estimar la vida útil de un sistema de protección catódica con ánodos galvánicos, tenga en cuenta:

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Factores y Cálculos de Diseño

• • • •

4:27

Media anual de temperatura del medio, y el efecto de la temperatura sobre el potencial anódico, los requerimientos de corriente y la resistencia del circuito Resistencia del circuito anódico Resistencia del circuito de la estructura y su comportamiento en el tiempo Voltaje de operación total, incluyendo la polarización de ánodo y cátodo.

Ejemplo 4.9 Un ensayo de campo indica que se requieren 0.375A para proteger un tramo de tubo revestido. A esta corriente, el tubo se polariza a –0.900 voltios con respecto a un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre. El tubo tiene una resistencia de 0.8 ohmios medida con respecto al terreno remoto. La experiencia sugiere que la resistencia disminuirá lentamente a lo largo de los años, hasta llegar a la mitad del valor actual (0.4 ohmios). Asumiendo que el mismo desplazamiento del potencial tubo-terreno remoto mantendrá la protección, ¿cuántos ánodos de magnesio de alto potencial de 7.7 kg (17 lb.) se necesitarán para proteger el tramo? ¿Cuál es la vida útil prevista del servicio? Solución:

El desplazamiento de potencial actualmente es de: E

= 0.375A x 0.80 ohmios = 0.30 voltios

La corriente a largo plazas requerida para mantener un desplazamiento de potencial de 0.30 voltios es: I

= 0.30 voltios / 0.40 ohmios = 0.75 A

Las publicaciones del fabricante de los ánodos sostienen que en un suelo de 5,000 ohm-cm, un ánodo de magnesio de alto potencial drenará 0.040 A (40 mA) hacia una estructura polarizada a –0.85 voltios CSE. Los datos suponen que la estructura tiene una resistencia a tierra despreciable y, por lo tanto, no tiene caída óhmica. La resistencia al terreno remoto de un único ánodo de magnesio de alto potencial (–1.75 voltios CSE) puede calcularse de la siguiente manera: Ra

= (1.75V – 0.85V)/0.040A= 22.5 ohmios

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Factores y Cálculos de Diseño

4:28

Suponiendo que el tramo de tubo siga polarizándose hasta los -0.900 voltios CSE, el potencial impulsor disponible para el sistema de ánodos galvánicos será: Enet

= -1.75V – (-0.900V) = –0.850 voltios

La resistencia total del circuito que permitirá una corriente de 0.75A a un potencial impulsor de 0.85 voltios es: Rt

= 0.85V/0.75A = 1.133 ohmios

Como se estima que la resistencia tubo-tierra será de 0.40 ohmios, la resistencia del grupo de ánodos de sacrificio deberá ser de: Ra,g

= 1.133Ω - 0.4Ω = 0.73 ohmios

Asumiendo que los ánodos pueden espaciarse lo suficiente como para evitar los efectos de paralelismo, la cantidad de ánodos requerida para lograr la resistencia de dispersor necesaria es: N N

= Ra/Ra,g = 22.5Ω /0.73Ω = 30.8 (31) ánodos

El peso total de magnesio en el sistema anódico será: 31 ánodos x 7.7kg /ánodo = 239 kg

El drenaje anual total en amperios-hora será: 365 d/año x 24 hr/d x 0.75 A = 6,570 Amperios-hrs/año La capacidad en amperios-hora del sistema anódico (asumiendo 1100 Ahrs./kg) es: 239kg x 1100A-hrs/kg = 262,900 A-hrs. La vida útil de los ánodos se estima en: 262,900A-hrs/6,570A-hrs/año = 40 años

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Factores y Cálculos de Diseño

4:29

Nota: La capacidad en amperios-hora de los ánodos de magnesio depende de la densidad de la corriente y del relleno empleado durante la instalación. La vida útil real puede variar. Además, en los cálculos anteriores no se incluyó el factor de utilización (porcentaje utilizable del ánodo).

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CAPÍTULO 5 Ejemplos de Diseños de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Acero Revestido/Rectificador/Dispersores Convencionales Descripción Se proyecta construir una tubería de transporte de agua desde una planta de filtrado existente hasta una nueva instalación para el almacenamiento. Habrá varias interconexiones con tuberías de transporte y distribución existentes. La tubería será de 7,646 metros (25,080 pies) de un tubo de 92 cm (36 pulgadas) de diámetro entre la planta de filtrado y una interconexión con una tubería de transporte existente. Habrá 6,402 metros (21,000 pies) adicionales de tubo de 128 cm (42 pulgadas) que continuará hasta la nueva instalación para el almacenamiento de agua y otras interconexiones con el sistema de distribución. El tubo tendrá un espesor de pared nominal de 1.27 cm (0.500 pulgadas). Se prevé que se requerirán muchos drenajes (blow offs), válvulas de aire y válvulas de control de flujo. La tubería atraviesa comunidades rurales y suburbanas. Habrá muchos cruces con tubos de distribución de gas y agua y con varias tuberías grandes de petróleo y gas con protección catódica. También hay un sistema de transporte público electrificado (DC) en la zona. No habrá cruces directos con este sistema de transporte. La construcción será de acero revestido con epoxi-alquitrán, con juntas mecánicas. Los tramos de tubo tendrán una longitud nominal de 12.2 metros (40 pies). Se requiere una vida útil mínima de 40 años, pero se espera que ésta se extienda más aún. En su grado de ingeniero de corrosión de la instalación, se le pide a usted que revise esta construcción y que efectúe las recomendaciones necesarias para el control de la corrosión.

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Enfoque 1.

Revise los planos de diseño y especificaciones de la tubería.

2.

Realice relevamientos de resistividad del suelo en la traza antes de la construcción, ubicación de estructuras foráneas y fuentes de energía, actividad de corrientes vagabundas y topografía general. Revise los registros disponibles acerca de la corrosión de instalaciones enterradas en la zona.

3.

Prepare un diseño conceptual para el control de la corrosión.

4.

Determine las ubicaciones de las juntas aislantes y de las estaciones de medición y prepare las especificaciones de construcción de los ítems para el control de la corrosión asociados con la construcción de la tubería de transporte de agua.

5.

Realice ensayos de campo sobre la tubería terminada.

6.

Active el sistema de protección.

Parámetros Previos a la Construcción Factores de Diseño del Tubo Material Revestimiento Juntas Conexiones Accesorios: muchas válvulas, blow offs y de aire Dimensiones

Acero al carbono Alquitrán con refuerzo de velo de vidrio Juntas mecánicas Cantidad limitada Válvulas de alivio

7,650 m de tubo de 92 cm de diám. Espesor de pared: 1.27 cm (12.2 m/junta) 6,450 m de tubo de 128 cm de diám. y 1.27 cm de espesor de pared (12.2 m/junta)

Superficie

48,048 m2

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Ambiental (relevamiento previo a la construcción) Resistividad Humedad Temperatura (-18o C a 32o C) Corrientes vagabundas Historial de corrosión

2,000 a 50,000 ohm-cm (5,000 ohmcm promedio) Todo el año Templada Presentes en instalaciones existentes penetraciones de 9.5 mm (0.375 pulg.) y 12.7 mm (0.500 pulg.) en paredes de acero de tubos de entre 20 y 30 años de antigüedad.

Al final de este diseño se incluye un Resumen de Datos y Lista de Verificación (Checklist). De esta información pueden extraerse las siguientes conclusiones: 1.

La corrosión relacionada con el suelo es suficiente como para causar penetraciones en la pared de tubos sin protección de 20 a 30 años de antigüedad. Para llegar a la vida útil requerida para esta tubería, es preciso aplicar protección catódica.

2.

La corriente vagabunda proveniente del sistema de transporte público en la zona, afectará sin duda la nueva tubería de agua. La magnitud de este efecto no puede determinarse antes de la construcción.

3.

Debido al número limitado de interconexiones con otras tuberías, resultará práctico aislar eléctricamente esta tubería de transporte.

4.

Aún con un revestimiento de alta calidad, la gran cantidad de accesorios (válvulas, válvulas de aire, cuplas mecánicas y blow offs) producirán una conductancia por pérdidas elevada entre tubo y suelo. En un suelo de 5,000 ohm-cm de resistividad promedio, la conductancia específica del revestimiento (Tabla 5.1- Buen revestimiento) no será menor de aproximadamente: g' = 5.0 x 10–4/5 = 1.0 x 10–4 Siemens/m2 (9.3 x 10–6 Siemens/ft2) Para los 48,048 m2 de superficie de toda la tubería, la conductancia a tierra anticipada sería en el mejor de los casos de: G = g'As = 1.0 x 10-4 S/m2 x 48,048 m2 = 4.8 Siemens

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

R = 1/G = 1 / 4.8 S = 0.21 ohmios resistencia a tierra Con un mal revestimiento, la conductancia a tierra promedio podría ser de hasta: g' = 5.0 x 10–3/5 = 1.0 x 10–3 Siemens/m2 (9.3 x 10–5 Siemens/ft2) G = g'As = 1.0 x 10–3 S/m2 x 48,048 m2 = 48 Siemens R = 1/G = 1 / 48 S = 0.021 ohmios resistencia a tierra de toda la línea

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

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Tabla 5.1 Típica Conductancia por Pérdidas Específica para Revestimientos Dieléctricos en un Suelo de 1000 ohm-cm Tuberías Largas con Pocos Accesorios

CONDUCTANCIA POR PÉRDIDAS ESPECÍFICA PROMEDIO g' Siemens/ft2

Siemens/m2

1 x 10-3

4 x 10–3 a 2 x 10–2

4 x 10-–2 a 2 x 10–1

5 x 10-3

4 x 10–3 a 2 x 10–2

4 x 10–2 a 2 x 10–1

Calidad del Trabajo Excelente

Malo Tubo desnudo (2" a 12") (5 cm a 30 cm)

Distribución de Agua o Gas con Muchos Accesorios Calidad del Trabajo Excelente

Malo Tubo desnudo (2" a 12") (5 cm a 30 cm) 5.

Las juntas mecánicas no son confiables en cuanto a la conducción de electricidad entre tramos de tubo. Si se va a aplicar protección catódica, es recomendable instalar puentes en cada junta.

6.

No hay ninguna razón que nos obligue a diseñar las fuentes de protección catódica antes de la construcción. Hay muchas

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

incógnitas importantes (corriente vagabunda, magnitud y patrón, calidad del revestimiento y proximidad con otras estructuras) que podrían resultar críticas para el este diseño. Medidas de control de corrosión necesarias para la fase de construcción del tubo, además del revestimiento: 1.

Instalación de juntas aislantes en los extremos de la tubería y en todas las interconexiones y derivaciones de la colectora. Deberá instalarse una estación de medición en cada junta aislante.

2.

Puentes de unión eléctrica a través de todas las juntas mecánicas en la tubería. Para que sean confiables, deberán instalarse como mínimo dos puentes de cobre No. 2 AWG por junta. La resistencia lineal del tubo de acero (suponiendo una resistividad de 2.06 x 10–5 ohm-cm) por tramo (unidad de longitud) es: 92 cm de diámetro 1.27 cm de espesor de pared Rp = Rp =

donde Rp ρ L A OD ID Rp =

ρ ⋅L A ρ ⋅L

(

π OD 2 − ID 2 4

)

= resistencia longitudinal del tubo = resistividad del acero de la tubería = longitud de la tubería en unidades de longitud = sección transversal de la tubería de acero = diámetro externo del tubo = diámetro interno del tubo

2.06 x10 −5 ohm − cm ⋅ 1220cm

((92cm) 4

π

2

− (89.46cm )

2

)

= 0.00007ohms / unidad = 7 x10 −5 ohms / unidad

128 cm de diámetro 1.27 cm de espesor de pared

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Rp =

2.06 x10 −5 ohm − cm ⋅ 1220cm

((128cm) 4

π

2

− (125.46cm )

2

)

= 0.00005ohms / unidad = 5 x10 −5 ohms / unidad

Dos alambres de cobre No. 2 AWG de 46 cm de largo tendrán una resistencia de:

RB = donde RB Rw Lw Nw

RB =

7.9 x10 −6

Rw ⋅ Lw Nw

= resistencia total del puente = resistencia del puente por unidad de longitud = longitud total de puente = cantidad de puentes en paralelo

ohms ⋅ 46cm cm = 0.00018ohms / puente = 1.8 x10 − 4 ohms / puente 2

Además de las resistencias del tubo y de los puentes, también habrá una resistencia producida por la corriente cerrándose en el punto donde está soldado el puente a la pared del tubo, llamada resistencia por congestionamiento (fringing resistance). La siguiente fórmula suministra una aproximación de la resistencia por congestionamiento (fringing resistance):

⎛ OD ⎞ Rf = 2 ⋅ OD ⋅ RL ⋅ ln⎜ ⎟ ⎝ N ⋅ db ⎠ donde: Rf = resistencia por congestionamiento (fringing resistance) (ohmios) OD = O.D. del tubo (cm) RL = resistencia lineal del tubo (ohm-cm) N = cantidad de puentes por tramo db = diámetro de los botones de la unión por soldadura (cm) Para la mayor parte de los tubos de acero de peso standard, la resistencia por congestionamiento (fringing resistance) está entre 1.0 y 3.0 x 10–5 ohmios por tramo, y puede despreciarse. En este ejemplo, despreciaremos la resistencia por congestionamiento (fringing resistance).

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

A partir de estos cálculos, la mayor parte de la resistencia lineal de la tubería provendrá de los puentes. 3.

Deben instalarse estaciones de medición de la corriente aproximadamente cada 1,800 a 2,000 metros a lo largo de la tubería. Las estaciones de medición son importantes para los análisis de control de corrosión, especialmente en presencia de corrientes vagabundas.

4.

Mantener una separación mínima de 30 cm en los cruces con otras estructuras enterradas (tubos, cables, etc.). Incluir una manta dieléctrica entre (y no en contacto con) la tubería de agua y la otra estructura. Esto aumentará la distancia eléctrica entre las estructuras y reducirá los efectos corrosivos de la interferencia.

Parámetros Posteriores a la Construcción La Figura 5.1 es un esquema de la tubería de transporte de agua. Las locaciones numeradas representan las estaciones de medición (de cuatro cables) de caída óhmica (medición de la corriente), separadas por 1800 a 2000 metros.

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TUBERÍA DE ACERO REVESTIDO PARA TRANSPORTE DE AGUA

PLANT A DE TRATAMIENTO

1 A

2 3 B

7,646 Metros 92 cm de diámetro 4

Juntas aislantes 1 Estaciones de medición (4 cables)

5 C 6 7

ALMACENAMIENTO

D 8

6,402 Metros 128 cm diám. . 9 E

Figura 5.1 Esquema de la Tubería de Transporte de Agua Revestida

Los primeros ensayos consisten en verificar la continuidad y aislación eléctrica de la tubería. En el punto "E'' (Figura 5.1) hay una tubería de gas de acero soldado sin revestimiento, que puede considerarse como una estructura con buena puesta a tierra. La resistencia entre ésta y la tubería de agua es de 0.180 ohmios. De esta resistencia, 0.168 ohmios es la resistencia entre la tubería de agua y el terreno remoto, y 0.012 es la resistencia entre la tubería de gas y el terreno remoto. La medición se realiza imprimiendo una corriente conocida entre la tubería de agua aislada y la tubería de gas. El desplazamiento inmediato del potencial tubo-suelo se divide por la corriente impresa, obteniendo así una aproximación bastante precisa de las resistencias relativas de las dos estructuras al terreno remoto. El electrodo de referencia que se usa para medir el desplazamiento del potencial tubo-suelo debe situarse lo más lejos posible de ambas estructuras. Idealmente, la referencia debería estar lo suficientemente alejada como para que, alejándola más, no cambien los valores medidos. Al momento de llevar a cabo los ensayos, se observa que el potencial entre la tubería de agua y la de gas varía entre +0.5 voltios y –0.5 voltios. Correlacionando este potencial con el potencial de la tubería de agua con respecto a un electrodo de referencia

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cercano al punto "E'', vemos que casi toda la actividad se registra en el potencial tubo-suelo de la tubería de agua. La Tabla 5.2 muestra una lista de la corriente de ensayo porcentual aplicada entre las tuberías de agua y de gas en las estaciones de medición de caída óhmica a lo largo de la tubería de agua. Tabla 5.2 Perfil de la Corriente de Ensayo

Est. No.

de

Medición Distancia desde E

9 7 6 5 4 2 1

0.4 2.35 4.18 6.40 7.90 9.70 12.6

en

Km. Porcentaje de Corriente de Ensayo en la Línea 93.0 80.0 64.3 41.3 30.4 13.0 8.6

El desplazamiento tubo-suelo (terreno remoto) en la Planta de Tratamiento es de 0.060 V/A. Estos datos sugieren una atenuación apreciable a lo largo de la tubería de agua. Para estimar la resistencia característica (RG) del sistema, usamos las ecuaciones presentadas en el Capítulo 2. Reproducimos aquí las fórmulas en la Figura 5.2. La Ecuación 6 de la Figura 5.2 ofrece un método para estimar la RG. RG = (Rso Rss)0.5 Rso es la resistencia al terreno remoto medida en el punto "E'' con el tubo aislado en la Planta de Tratamiento. El valor medido fue de 0.168 ohmios. Cerrando la junta aislante en la planta y repitiendo la medición en "E'', obtendremos Rss. Esta medición resulta en Rss = 0.147 ohmios. A partir de la ecuación 6 (Figura 5.2): RG = (0.168ohm x 0.147ohm)0.5 RG = 0.157 ohmios

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Fórmulas de Atenuación de la DC Is

Ir Circuito de Atenuación

Es

Er

y

x Punto de Interés

α = rg

Constante de propagación o atenuación

RG =

Resistencia característica (ohmios)

r g

r=

Resistencia lineal por unidad, ohms/unidad de longitud

g=

Conductancia a tierra por unidad, S/unidad de longitud

x=

cantidad de unidades de longitud desde el extremo receptor

y=

cantidad de unidades de longitud desde el extremo de entrada Ecuaciones Generales

Donde:

1. E = Er cosh(αx ) + R GIr sinh(αx ) Er

( )

2. I = Ir cosh αx +

( ) sinh(αx) Er RG

3. E = Es cosh(αy ) − R GIs sinh(αy ) 4. I = Is cosh(αy ) −

( ) sinh(αy ) Es RG

Ir

= potencial del extremo receptor

= corriente del extremo receptor

Es = potencial del extremo de entrada

Is

= corriente del extremo de entrada

5. R so = R G coth(αx )

Rso = Resistencia mirando hacia la línea abierta

6. R G =

Rss = Resistencia mirando hacia la línea en corto

R soR ss

Figura 5.2 Fórmulas de Atenuación de la DC

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Dado que: RG = (r/g)0.5 entonces, RG2 = r/g Si conocemos RG y podemos estimar r, podemos calcular g. Si asumimos que una unidad de longitud de la tubería tendrá 1 Km, la cantidad de juntas por unidad de longitud es: m Lu unit = 81.96 jts / unidad = 82 jts / unidad Nj = = m Lj 12.2 jt 1000

donde Nj Lu Lj

= cantidad de juntas por unidad de longitud = unidad de longitud = longitud de una única junta

La resistencia promedio de una unidad de longitud de tubo es de aproximadamente: r = Nj (RB + Rp ) = 82(0.00018 ohms + 0.00006 ohms ) = 0.0197 ohms / unidad

donde 0.00006 ohmios/junta es la resistencia promedio de los dos tamaños de tubo. Por lo tanto, la conductancia del revestimiento por unidad de tubo es de: g

= r/RG2

g

= 0.0197ohms/0.025ohms2 = 0.78 Siemens/unidad

Para los 14.1 km de tubería, la conductancia es de 11 Siemens (0.78 S x 14.1). Como la tubería tiene 48,048 m2 de superficie, la conductancia específica del revestimiento promedio es equivalente a 2.3 x 10–4 S/m2 en un suelo de 5,000 ohm-cm de resistividad. Esto equivale a 1.15 x 10–3 S/m2 en un suelo de 1,000 ohm-cm. Si comparamos este valor con la Tabla 5.1, Conductancias Típicas por Pérdidas Específica para

Revestimientos Dieléctricos en un Suelo de 1000 ohm-cm, concluimos que la calidad del revestimiento es regular.

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La constante de atenuación es: α

= (rg)0.5

α

= (0.0197 ohmios x 0.78 S)0.5 = 0.124

Si aplicamos la ecuación 4 de la Figura 5.2 a las locaciones de estaciones de medición de la Tabla 5.2, obtenemos los valores listados en la Tabla 5.3. Por cuestiones de comodidad para realizar los cálculos, usaremos 100 A de corriente de la fuente (Is). La tensión de la fuente será de 16.8 voltios (Is Rso).

Tabla 5.3 Perfil Teórico de la Corriente

Locación No. 9 7 6 5 4 2 1

de

E.M. Distancia desde E 0.4 2.35 4.18 6.40 7.90 9.70 12.6

en

km Porcentaje de Corriente de Ensayo en la Línea 94.8 72.5 55.7 39.0 29.5 19.4 6.0

La Figura 5.3 es un gráfico que muestra los perfiles de corriente teórico y real de la tubería. Al ser similares, esto indica que no hay cortos inesperados con otras estructuras. El análisis de actividad de corrientes vagabundas sobre la traza del tubo confirma que la zona más activa está cerca del punto "E''. Durante los períodos pico de corrientes vagabundas, en esta zona aparecen desplazamientos corrosivos de potencial (tubo moviéndose en dirección positiva con respecto al suelo) de 0.500. Será necesario aplicar una corriente de protección catódica capaz de revertir esta situación. La experiencia en la zona demuestra que normalmente un desplazamiento de potencial tubo-suelo (terreno remoto) de 0.300 voltios resulta adecuado para polarizar un tubo de acero expuesto al suelo. El diseño de protección catódica debe cumplir como mínimo este criterio en promedio en toda la línea, así como contrarrestar el problema de corriente vagabunda.

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ATENUACIÓN EN LA LÍNEA DE TRANSPORTE DE AGUA Flujo de Corriente en la Línea (A)

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0

1

2

3

4

Teórica

5

6 7 8 9 10 11 12 13 14 DISTANCIA (km) Real

Figura 5. 3 Perfil de Atenuación de la Corriente

Dadas las propiedades de atenuación de la tubería, podemos considerar la instalación de varias fuentes de corriente de protección catódica. El perfil de atenuación de la corriente (Figura 5.3) indica que en los primeros 5 km (un tercio de la longitud total de la tubería), el extremo receptor del tubo recibe de la tierra aproximadamente la mitad de la corriente suministrada en el otro extremo. Si se colocan tres fuentes de corriente de protección catódica a 1/6, 3/6 y 5/6 de distancia de cada extremo de la tubería, se obtendrá la distribución de corriente más uniforme. En la Figura 5.1 se indican, con las letras “A” a “C”, las posibles ubicaciones para dispersores de corriente impresa. Éstas cuentan con energía comercial y están alejadas de otras estructuras enterradas. Las ubicaciones "D'' y "E'' son también posibles, pero involucran otras instalaciones. En la Tabla 5.4 se consignan las distancias desde el extremo de la tubería en la ubicación "E''.

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Tabla 5.4 Posibles Ubicaciones para Dispersores

Ubicación Fig. 5-1a

Distancia en km desde E

A

12.0

B

8.5

C

5.0

D

2.0

E

0.0

Examinemos la posibilidad de instalar un único rectificador en la ubicación "C''. "C'' se encuentra a 9.1 km de la planta de tratamiento y a 5 km de "E''. Para cancelar los efectos de la corriente vagabunda, debemos desplazar el potencial tubo-suelo (terreno remoto) al menos en 0.5 voltios negativos en el punto "E''. También es deseable suministrar 0.3 voltios adicionales para garantizar la polarización de la tubería en esta ubicación. Usando la ecuación 1 (Figura 5.2): E

= Er cosh(αx) + RGIr senh(αx)

Supongamos que Er = 0.800 voltios es el desplazamiento de potencial tubo-terreno remoto requerido. x α RG Ir E E

= 5 km = 0.124 = 0.157 Ω = 0 (junta aislante) = Potencial tubo-terreno remoto requerido en "C'' = 0.8 V cosh(0.124 x 5) + 0 = 0.959 V

La resistencia del tubo al terreno remoto en "C'' mirando hacia el extremo abierto "E'' está dada por la ecuación 5 (Figura 5.2). Rso

= RG coth(αx)

R

= 0.157 Ω coth(0.124 x 5) = 0.285 Ω

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5:15

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

La corriente drenada desde la dirección de "E'' será: I = 0.959 V/0.285 Ω = 3.365 A La resistencia mirando hacia la planta de tratamiento es: R = 0.157 Ω coth(0.124 x 9.1) = 0.194 Ω La corriente drenada desde la dirección de la planta de filtrado es: I = 0.959 V/0.194 Ω = 4.94 A Corriente total = 3.365 A + 4.94 A = 8.305 A Esta solución produce un desplazamiento del potencial tubo-suelo en "C'' de más de tres veces el requerido para polarizar el tubo. Alternativa 2

Consideremos una solución alternativa. Usaremos un rectificador controlado por potencial en la ubicación "E'' para cancelar los efectos de la corriente vagabunda y suministrar un desplazamiento de potencial de 0.300 voltios durante los períodos en que no hay actividad de corrientes vagabundas. Exploraremos el efecto de tres rectificadores adicionales en las ubicaciones "A'', "B'' y "C''. En la Tabla 5.5 se ofrece un resumen de las resistencias calculadas mirando en cada dirección desde las ubicaciones propuestas para los rectificadores.

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5:16

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

5:17

Tabla 5.5 Resistencia y Flujo de Corriente desde las Posibles Ubicaciones de los Rectificadores UBICACIÓN DE LA FUENTE

HACIA PLANTA DE TRATAMIENTO

HACIA "E''

Resistencia Rso (ohmios)

Corriente Is (Amps)

Resistencia Rso (ohmios)

Corriente Is (Amps)

A

0.616

0.244

0.174

0.862

B

0.261

0.575

0.200

0.750

C

0.194

0.773

0.285

0.526

E

0.167

var.

inf.

var.

Asumamos que en las ubicaciones de los rectificadores “A”, “B” y “C”, éstos producirán la mitad del desplazamiento del potencial tubo-suelo requerido (Es = 0.150 voltios). Asumamos que los efectos combinados de los otros rectificadores suministrarán el resto de los 0.300 voltios. Usando los valores de corriente , Is, de la Tabla 5.5, y: y RG α Es

= distancia desde la fuente a cualquier punto de interés a lo largo de la tubería = 0.157 Ω = 0.124 = 0.15 V

Es posible desarrollar un perfil de potencial tubo-suelo para la tubería, con tres fuentes de corriente constantes funcionando. Para esto, usaremos la Ecuación 3 de la Figura 5.2. Una vez que se ha calculado el efecto de las tres fuentes (A, B y C) sobre la ubicación "E'', pueden determinarse los requerimientos y efecto de un rectificador controlado por potencial en "E''. La Tabla 5.6 presenta un resumen de estos cálculos.

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

5:18

Tabla 5.6 Desplazamientos del Potencial Tubo-Suelo Producido por las Fuentes de Corriente Corriente (A) Fuente

Is Norte Sur

Ubicaciones Tubo-Suelo Planta de Tratamiento y km

ΔE voltios

A y km

ΔE voltios

B y km

ΔE voltios

C y km

E ΔΕ voltios

y km

ΔE voltios

A

0.244

0.862

2.1

0.145

0

0.150

3.5

0.104

7.0

0.077

12

0.065

B

0.575

0.750

5.6

0.120

3.5

0.124

0

0.150

3.5

0.112

8.5

0.093

C

0.773

0.526

9.1

0.088

7

0.091

3.5

0.110

0

0.150

5

0.125

Totales

1.592

2.138

E (Var.)

0.101 2.980

(base) (máx.)

Ecuación:

0.353 14.1

0.006 0.177

0.365 12

0.006 0.180

0.364 8.5

0.007 0.215

0.365 5

0.010 0.290

E = Es cosh(αy) – RG Is senh(αy)

Constantes: α = 0.124 RG = 0.157 Ω Es = 0.150 V Los desplazamientos de potencial provocados por las fuentes individuales son acumulativos para cualquier punto. Por ejemplo, en la planta de tratamiento "A'' producen un desplazamiento de potencial tubo-terreno remoto de 0.145 voltios. Las fuentes "B'' y "C'' producen desplazamientos de 0.120 y 0.088 voltios respectivamente. La suma de estos desplazamientos tubo-suelo es de 0.353 voltios. La fuente de corriente variable, "E'', produce un desplazamiento adicional de entre 0.006 y 0.177 voltios, según la salida de corriente en cada momento. La corriente total estimada para alcanzar un desplazamiento mínimo del potencial tubo-suelo de –0.300 voltios a lo largo de la tubería de transporte va desde los 3.8 a los 6.7 amperios, en comparación con la salida constante de 8.3 A en un sistema con una única fuente. La menor cantidad de corriente total será beneficiosa para el revestimiento y, además, es menos probable que produzca interferencia.

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0.283 0

0.017 0.500

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Cálculos del Dispersor Para esta tubería se proponen dispersores convencionales a nivel. Las condiciones subterráneas no son aptas para un ánodo profundo. La Figura 5.4 muestra un diseño de dispersor típico. El grafito es una buena opción para material anódico. Los modestos requerimientos de corriente están muy por debajo del límite de este material, el costo es competitivo y la relativa sequedad de las ubicaciones de los dispersores hace del grafito una buena opción. Las resistividades del suelo en la superficie de todas las ubicaciones propuestas para los rectificadores están entre los 5,000 y los 7,000 ohm-cm. Sin embargo, las mediciones de resistividad obtenidas mediante el método de cuatro puntas de Wenner para una separación entre puntas de 30 metros (la longitud propuesta para los dispersores) indican una resistividad promedio de volumen de 12,000 ohm-cm. La experiencia demuestra que los subsuelos de baja conductividad (roca) tienen un efecto muy significativo sobre la resistencia al terreno remoto de los dispersores de grandes dimensiones, entre los que se incluye un dispersor de 30 metros de longitud. Al medir con una separación entre puntas equivalente a la del dispersor, se obtienen valores de resistividad que incluyen la resistividad de las capas más profundas. Usando la fórmula de Dwight para la resistencia de una “jabalina” horizontal en la tierra, calcularemos las resistencias que se anticipan para los dispersores. Asumiremos una resistividad del suelo de 12,000 ohm-cm.

Tubo X

RECTIFICADOR

30.5 metros 5 Ánodos de Grafito de 1.52 metros x 7.6 cm en Relleno de Coque

Figura 5.4 Dispersor Típico

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30.5 cm

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

R=

0.005ρ ⎛ ⎛ 4L ⎞ 2h ⎞ ⎛L⎞ ⎟ ⎜⎜ ln⎜ ⎟ + ln⎜ ⎟ − 2 + πL ⎝ ⎝ d ⎠ L ⎟⎠ ⎝h⎠

donde:1 ρ L d h

= 12,000 ohm-cm (resistividad) = 30.5 m (longitud del dispersor) = .305 m (diámetro del dispersor) = 1 m (profundidad del centro del dispersor)

R

= 0.629 [ln(400) + ln(30.5) – 2 + 0.07]

R = 4.7 ohmios Es recomendable que la separación entre el tubo y el ánodo sea lo más grande posible, para minimizar el efecto del gradiente de potencial anódico sobre el tubo. La siguiente fórmula suministra una aproximación del aumento de potencial en la tierra causado por el flujo de corriente desde el ánodo 1:

(

0.005Iρ ⎛⎜ ⎛⎜ L + L2 + r 2 Er = ln πL ⎜ ⎜⎝ r ⎝

)

0.5

⎞⎞ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠⎠

donde: Er ρ I L r

= aumento de potencial a r metros del ánodo = resistividad (12,000 ohm-cm) = corriente anódica (1.2 A) = longitud del ánodo (30 metros) = distancia radial desde el ánodo (30 metros)

Por cuestiones prácticas en las ubicaciones "A'', "B'' y "C'', la distancia "X'' (Figura 5.4) no puede ser de mucho más de 30 metros. El aumento de potencial tubo-suelo aproximado provocado por una corriente anódica promedio de 1.2 A en las ubicaciones de los dispersores será de:

Er =

0.005 ⋅ 1.2 ⋅ 12,000 (ln(2.41)) = 0.672volts π ⋅ 30

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

El aumento de potencial total del dispersor al terreno remoto se obtiene multiplicando la salida de corriente promedio por la resistencia del dispersor al terreno remoto. ET = IR = 1.2 A x 4.7 Ω = 5.64 voltios El aumento porcentual en r, 30 m, es : aumento% = (0.672V/5.64V) 100% = 12% (es decir, este punto está fuera del 88% del aumento total). El diseñador debe tener en cuenta que el aumento del potencial tubosuelo causado por el gradiente de potencial del ánodo aumentará la acumulación de corriente en la estructura en los defectos del revestimiento, sujetos a mayores potenciales. Si hay un contacto apreciable entre el metal expuesto y el suelo en las zonas de potencial tubo-suelo aumentado, la distribución de corriente real a lo largo de la estructura puede resultar diferente de lo anticipado por las fórmulas de atenuación, ya que éstas no toman en cuenta estas desviaciones del comportamiento del “terreno remoto”. En el ámbito real de la protección catódica, no existe el auténtico “terreno remoto”. La resistencia tubo-suelo y la resistencia del circuito de cables son pequeñas en comparación con la resistencia del dispersor, y pueden despreciarse. Si bien los requerimientos de corriente son menores a los 2.0 amperios para las ubicaciones de los rectificadores "A'', "B'' y "C'' y de 3.0 amperios para el sitio "E'', es recomendable proyectar una capacidad de rectificadores que permita realizar ajustes, en caso de un futuro deterioro de las propiedades eléctricas del sistema. Además, puede haber problemas de interferencia en otras instalaciones, que requerirán puentes de mitigación. Estos puentes disminuyen la eficiencia del sistema de protección catódica y requieren más corriente. Elija rectificadores con una capacidad de al menos 4 amperios. La tensión mínima debe ser de: E = 4 A x 4.7 Ω = 18.8 voltios Como los ánodos de grafito tienen un potencial de alrededor de 2 voltios positivos con respecto al acero, serán necesarios 1 a 2 voltios adicionales. Los rectificadores aptos para este diseño tendrán 4 amperios y 20 voltios. El rectificador para la ubicación "E'' debe ser del tipo automático controlado por potencial. Una vez completada la construcción de los dispersores y rectificadores, debe testearse el sistema para verificar su efectividad. Los rectificadores

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5:21

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

se activan a la salida de corriente proyectada en el diseño. Se mide el efecto de cada rectificador en los puntos más críticos, determinados durante el relevamiento inicial de la tubería. Se monitorean los potenciales tubo-suelo en cada punto, para determinar si el tubo se está polarizando. Como hay corrientes vagabundas provenientes de la operación de sistemas de transporte público, es preciso evaluar los potenciales tubo-suelo durante los períodos de actividad mínima, o extrapolando la actividad de la corriente vagabunda a cero. (El análisis de corrientes vagabundas dinámicas no será cubierto en este curso.) La polarización puede determinarse midiendo el potencial del tubo con respecto a una referencia con todos los rectificadores operando, y restándole luego a esta lectura el efecto de la caída óhmica de cada fuente. Luego, se compara el potencial libre de caída óhmica con el potencial obtenido antes de la activación de los sistemas de protección catódica. Si se ha alcanzado un potencial aceptable, el sistema está funcionando en forma efectiva. Para refinar este funcionamiento, se puede ajustar la salida de corriente de alguno o de todos los rectificadores. Los ensayos de interferencia cooperativos deben realizarse con representantes de las otras instalaciones y tuberías en la zona. Si se requiere la instalación de puentes de mitigación, debe medirse su efecto sobre la protección catódica y realizar los ajustes del caso.

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5:22

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5:23

RESUMEN DE DATOS Y CHECKLIST Título del Proyecto

Tubería de Transporte de Agua

Descripción General

7.65 km (25,100 pies) de tubo de acero revestido de 92 cm (36 pulg.) de diámetro y 6.45 km (21,100 pies) de tubo de acero revestido de 128 cm (42 pulg.).

Historial



Estructura propuesta (aún no construida)

X

Relevamiento previo a la construcción

X

Estructura existente

ND (No Disponible)

Relevamiento de evaluación (condición)

ND

Vida Útil Diseñada para la Estructura

40+ años

Superficies a Proteger DESCRIPCIÓN

SUPERFICIE TOTAL (m2)

Externas

43,500

Internas

ND

Longitud Total

No

14,100 m

(si es un único tubo/cable largo)

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

5:24

Material(es) de Construcción Metal (aleación) Designación 1.Acero

al

Sensible a los Álcalis

Sensible al Hidrógeno

Sensible a la Velocidad

Superfi cie







no

cm2

X

ND

no

no

X

X

carbono

2. 3. 4.

Método(s) de Fabricación Mecánico Soldadura …

X

X

Juntas

Revestimiento(s) de Protección Tipo Genérico

Espesor

Tolerancia a la PC sí

1. Alquitrán

5 mm

% de Cobertura Estimado

no

X

95 %

2.

mm

%

3.

mm

%

Aislación Eléctrica y Puesta a Tierra SÍ

Estructura aislada

X

Estructura que puede aislarse

X

NO

Al aislarla, requiere protección contra descargas eléctricas

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X

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Medio Descripción

rural, suburbano

Resistividad (ohm cm)

5,000

Velocidad (cm/seg)

ND

Temperatura (oC)

20



Energía Comercial Disponible

X

Otras Estructuras Involucradas

X

Presencia de Corrientes Vagabundas

X

Peligro de Incendio y/o Explosión

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NO

X

5:25

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Posibles Problemas con la Protección Catódica SÍ Atenuación eléctrica en la estructura

NO

X

Atenuación eléctrica en el ánodo

X

Fragilización por hidrógeno en la estructura

X

Formación de hidruros en la estructura

X

Efecto de la PC sobre la química de procesos

X

Interferencia por corrientes vagabundas

X

Consideraciones con respecto a la Seguridad

X

Información Adicional: Los historiales de instalaciones en la zona muestran penetraciones de 9.5 mm (0.375 pulg.) y 12.7 mm (0.500 pulg.) en paredes de tubos de acero, para tubos de entre 20 y 30 años de antigüedad.

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Acero Desnudo/Rectificador/Ánodos Distribuidos Descripción En una tubería de transporte de agua de acero remachado de 76 cm de diámetro se han verificado algunas pérdidas por corrosión. Las pérdidas están confinadas a una zona constantemente mojada y que tiene una resistividad de suelo de 3,000 ohm-cm. Examinando el tubo en esta zona, se descubre pitting localizado, que resulta de la actividad de bacterias reductoras de sulfatos. No hay otras estructuras enterradas en esta zona. Hay energía comercial disponible en un cruce de rutas en la zona del problema. Un relevamiento del suelo de la zona indica que el suelo arcilloso mojado asociado con la actividad de la corrosión se limita a unos 430 metros del tubo. El problema consiste en diseñar la protección catódica para este "hot spot'' (punto crítico) del tubo.

Análisis El tubo es de acero desnudo y remachado. No debería haber problemas de continuidad eléctrica en la estructura. No resultaría práctico instalar juntas aislantes en la tubería; por lo tanto, lo más indicado es un sistema de ánodos distribuidos cercanos unos de otros. Hay alrededor de 1,030 m2 de superficie de acero expuesto en la sección corrosiva. A partir de diversas investigaciones, sabemos que se necesita una densidad de corriente de 1 a 3 x 10–6 A/cm2 para proteger el acero en presencia de SRB2. Los requerimientos de corriente anticipados para esta sección del tubo son: I = iAs = 3 x 10–6 A/cm2 x 1,030 m2 x 10,000 cm2/m2 = 31 A Usando la fórmula de Dwight, un ánodo continuo tipo cinta tendría una resistencia al terreno remoto de:

2

S. C. Dexter, Editor, Biologically Induced Corrosion, NACE-8, p 345, 1986

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R=

0.005ρ ⎛ ⎛ 4L ⎞ 2h ⎞ ⎛L⎞ ⎜⎜ ln⎜ ⎟ + ln⎜ ⎟ − 2 + ⎟ πL ⎝ ⎝ d ⎠ L ⎟⎠ ⎝h⎠

donde: ρ = 3,000 ohm-cm (resistividad) L = 430 m (longitud del dispersor) d = .025 m (diámetro del dispersor) h = 1 m (profundidad del dispersor) R = 0.011 [ln(68,800) + ln(430) – 2 + 0.0] ohmios R = 0.167 ohmios El potencial impulsor máximo del magnesio de alto potencial con respecto al acero no polarizado es de alrededor de 1.2 voltios. La máxima corriente que puede obtenerse de una única cinta de sacrificio será de alrededor de: I = 1.20V/0.167Ω = 7.2 A Esto constituye solamente un 20% de los probables requerimientos de corriente; por ende, un sistema de ánodos de sacrificio no será capaz de proteger esta sección de la tubería. Consideremos un sistema por corriente impresa con ánodos distribuidos. Si seleccionamos una separación entre ánodos de 10 metros (así obtendremos una adecuada distribución de la corriente, dado que la separación entre ánodo y tubería permitida por la traza es de 3 metros) se requerirán 44 ánodos. Asumiendo un requerimiento de corriente máximo de 40 A, se requerirá que cada ánodo suministre alrededor de 1 A. Se pueden usar diversos materiales anódicos. Seleccionamos ánodos tubulares de alto silicio de 6.7 cm de O.D. (diámetro externo) x 106.7 cm de largo. La superficie es de 2,246 cm2. La densidad promedio de la descarga de corriente será de 0.445 mA/cm2, valor que se haya dentro de la capacidad de este material. El peso de un ánodo es de 14 kg. En las peores condiciones, la velocidad de consumo no debería exceder los 0.3 kg/año/A. Usando un factor de utilización del 50%, obtendremos una vida útil de 23 años. Para mejorar su rendimiento en el suelo, los ánodos se instalarán en relleno de carbón, con unas dimensiones externas de 0.3 m de diámetro por 1.5 m de longitud.

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

ÁNODOS DISTRIBUIDOS 430 METROS DE TUBO DE ACERO DE 76 cm DE DIÁMETRO 1 Tubería de Transporte, de Acero

3 metros 10 metros Línea Eléctrica Ruta

76 cm , Desnudo,remachad.

Sistema de Ánodos Distribuidos

2

Figura 5.5 Sistema de Ánodos Distribuidos

La ecuación de Sunde permite obtener una estimación de la resistencia de un sistema de ánodos distribuidos para el esquema de la Figura 5.5.

RN =

0.005ρ ⎛ ⎛ 8L ⎞ 2L (ln(0.656N))⎞⎟⎟ ⎜⎜ ln⎜ ⎟ − 1 + πNL ⎝ ⎝ d ⎠ s ⎠

donde: ρ N

= 3,000 ohm-cm = 44 (cantidad de ánodos con centros cada 10 m en el dispersor) L = 1.5 m (longitud de un ánodo) d = 0.3 m (diámetro de ánodo y relleno) s = 10 m (separación entre ánodos) RN = 0.268 ohmios La resistencia del cable de cobre No. 4 AWG es de 8.2 x 10–4 ohm/m o 8.2 x 10–3 ohmios para cada 10 metros entre ánodos (r). La conductancia promedio de un ánodo al terreno remoto es:

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

g = 1/(44 x 0.268) = 0.084 Siemens La constante de atenuación para el ánodo es de: α = (rg)0.5 = (6.9 x 10–4)0.5 = 0.026

La resistencia característica: RG = (r/g)0.5 = 0.312 ohmios El trecho más largo del rectificador al punto 2 (Figura 5.5) es de 300 metros (30 unidades de longitud). La resistencia al terreno remoto de este trecho será: R = RG coth(αx) = 0.312 Ω coth(0.78) = 0.478 Ω Para cada voltio entre el ánodo y el terreno remoto (el tubo desnudo), la corriente de entrada será: Is = 1.0V/0.478 Ω = 2.09 A El potencial impulsor en el último ánodo del trecho será: E = Es cosh(αy) – RGIs senh(αy) E = 1.0 V cosh(0.78) – 0.312 Ω x 2.09 A senh(0.78) E = 1.32 V- 0.562 V = 0.760 voltios Una caída de potencial del 25% en el ánodo es aproximadamente la atenuación máxima tolerable. Esto significa que los últimos ánodos del cable colector suministrarán el 75% de corriente con respecto a los ánodos más cercanos a la fuente. Dicho de otra manera, los ánodos cercanos a la fuente deben drenar 33% más que los ánodos al final del dispersor, a fin de alcanzar una corriente adecuada en el extremo de la estructura. Dado que la vida útil del ánodo está en función de la densidad de la corriente, al tener ánodos en un sistema con una variación de más del 33% en la expectativa de vida, puede haber futuros problemas de mantenimiento. El cable de cobre No. 4 AWG es apto como cable colector. Prever la instalación de estaciones de medición sobre el tubo en los extremos de los trechos anódicos. También resulta útil tener una estación de medición en los extremos más alejados de los cables colectores

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

anódicos. Estas estaciones de medición deben estar protegidas contra las pérdidas eléctricas, para evitar la corrosión electrolítica.

Ensayos Post-construcción Una vez construido el ánodo y antes de seleccionar un rectificador, realice un ensayo E Log I de requerimiento de corriente. Este tipo de ensayo resulta muy confiable en estructuras desnudas en las condiciones presentes en este caso. Seleccione una unidad rectificadora acorde con los resultados del ensayo. Dado que el tubo no está recubierto, no habrá deterioro del revestimiento a lo largo del tiempo. La máxima corriente requerida será la corriente inicial. Una vez que se alcanza la polarización, es muy probable que los requerimientos de corriente disminuyan en el futuro. A continuación, un Resumen de Datos y Checklist.

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

5:32

RESUMEN DE DATOS Y CHECKLIST

Protección en Zona Crítica (“Hot Spot”) tramo de 430 metros de una tubería de agua de acero de 76 cm de diámetro

Título del Proyecto Descripción General

Historial



No

Estructura propuesta (aún sin construir)

X

Relevamiento realizado

X

previo

a

la

construcción:

Estructura existente

X

Relevamiento de evaluación (condiciones): realizado

X

Vida Útil (Duración)

Diseñada

para

la

Estructura

20 años

Superficies a Proteger DESCRIPCIÓN

SUPERFICIE TOTAL (m2)

Externa

1,030

Interna

ND

Longitud total (si se trata de un único tubo/cable)

430 m

Material(es) de Construcción Metal (aleación)

Sensible a los Álcalis

Sensible al Hidrógeno

Sensible a la Velocida d

Superfi cie

Designación







no

cm2

X

ND

1. Acero al

no X

no X

carbono

2. 3. 4.

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Método(s) de Fabricación Mecánico Soldadura …

X

5:33

…

Juntas

Revestimiento(s) de Protección Tipo

Espesor

Tolerancia a la PC sí no

Estimación del % Revestido

1. Ninguno

mm

%

2.

mm

%

3.

mm

%

Aislación Eléctrica y Puesta a Tierra SÍ

NO

La estructura está aislada

X

La estructura puede aislarse

X

Si se la aísla, requiere protección contra descargas eléctricas

ND

Medio Descripción

Suburbano

Resistividad (ohm cm)

3,000

Velocidad (cm/seg)

ND

Temperatura (oC)

Ambiente

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

SÍ Disponibilidad Comercial

de

Otras Involucradas Presencia de Vagabundas Peligro de Explosión

Energía

5:34

NO

X

Estructuras

X

Corrientes

X

Incendio

y/o

X

Consideraciones con respecto a la Protección Catódica SÍ Atenuación eléctrica en la estructura Atenuación eléctrica en el ánodo

NO X

X

Fragilización por hidrógeno en la estructura

X

Formación de hidruros en la estructura

X

Efecto de la PC sobre la química de procesos

X

Interferencia por corrientes vagabundas

X

Consideraciones con respecto a la seguridad

X

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Acero Recubierto/Rectificador/Ánodos Profundos Descripción Se construirá una tubería de gas de 121 km de longitud entre la línea principal de una compañía de transporte de gas y una estación de entrada de gas municipal. El tubo tendrá 40,65 cm de diámetro, con una pared de acero soldado de 7,95 mm de espesor de pared. En ambos extremos de la tubería se instalarán juntas aislantes. Se aplicará un revestimiento de polietileno extruído de alta calidad. La traza de la tubería atraviesa una zona rural. La vida útil de diseño de la tubería es de 40 años. Hay muchos cruces con rutas, en su mayor parte con líneas de distribución de energía eléctrica, por lo que la energía para la protección catódica por corriente impresa no será un problema. La Figura 5.6 muestra un dibujo esquemático de la configuración.

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

ÁNODOS PROFUNDOS TUBERÍA REVESTIDA DE TRANSPORTE DE GAS DE 120,7 km, 40,6 cm Línea Principal

Juntas Aislantes

Estación de Entrada Figura 5.6 Tubería Revestida de Transporte de Gas

Un relevamiento previo a la construcción sobre la traza propuesta para la tubería indica una resistividad media del suelo de 4000 ohm-cm. La resistividad media es la media estadística de todas las mediciones de resistividad del suelo tomadas a lo largo de la traza propuesta para la tubería a la profundidad promedio de la misma. Constituye la resistividad promedio que encontrará el metal del tubo en las pequeñas fallas del revestimiento. Diseñe un sistema de protección catódica que pueda instalarse simultáneamente con la tubería.

Análisis Preparamos un Resumen de Datos y Checklist (véase al final del diseño). Se prevé que la ausencia de conexiones con la tubería implicará una aislación eléctrica muy buena. La longitud de la tubería (120,7 km) hace que debamos considerar la atenuación a la hora de diseñar la protección catódica. El primer paso en el análisis del diseño consistirá en estimar la atenuación, utilizando las fórmulas de la atenuación. Todos los

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desplazamientos de potencial tubo-suelo serán de signo negativo (el tubo se desplazará en sentido negativo con respecto al terreno remoto). 1.

Calcule la resistencia lineal de 1 km de tubo (unidad de longitud):

r=

ρ ⋅L

(

π OD 2 − ID 2 4

)

Resistividad del acero = 2,06 x 10-5 ohm-cm

r=

2.

2.06x10 −5 ohm − cm ⋅ 100,000cm = 0.0207ohms / unit π 2 2 (40.65cm) − (39.06cm) 4

(

)

Suponga un revestimiento de buena calidad, con una conductancia por pérdidas específica de 1 x 10-4 Siemen/m2 en un suelo de 1,000 ohm-cm. La conductividad en el suelo de 4,000 ohm-cm por unidad de longitud (km) de la tubería será de:

g = g'As / 4 g = 1x10-4 S/m2 (3.14 x 0.406m x1000m) / 4 = 0.032 S/unidad 3.

Calcule la constante de atenuación:

α = (rg)0.5 α = (0.0207 Ω x 0.032 S)0.5 = 0.0257 4.

Calcule la resistencia característica: RG = (r/g)0.5 RG = (0.0207 Ω / 0.032 S)0.5 = 0.804 ohmios

5.

Calcule la atenuación a partir de un único dispersor ubicado a la altura del centro de la tubería. Resistencia hacia cada lado, desde el centro: Rso = RG coth(αx) donde x = 60,5 unidades Rso = 0.804 Ω coth(0.0257 x 60.5) = 0.879 ohmios

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Corriente necesaria para producir un desplazamiento de potencial de 1,0 voltios en cada dirección desde el centro: Is = Es/Rso = 1.0V / 0.878 Ω = 1.14 A (Corriente total de la fuente = 2.28 A) Desplazamiento de potencial en cada extremo de la tubería para un desplazamiento de 1,0 voltios en la fuente: E = Es cosh(αy) - RGIs senh(αy) αy = 0.0257 x 60.5 = 1.55

E = 1.0 V cosh(1.55) - 0.804 Ω x 1.14 A senh(1.55) = 0.400V En estas condiciones, una única fuente de energía en o cerca del centro de la tubería podría proteger toda la línea sin mayor problema con respecto a la sobre-protección de la zona central. Si la calidad del revestimiento resulta menor a la esperada, la atenuación podría ser considerablemente mayor. A medida que la tubería envejezca, aumentará la conductancia tubo-suelo y será más difícil proteger los extremos de la tubería con una única fuente de protección catódica. 6.

Analicemos un sistema con dos fuentes, en estaciones a 30 y 90 km sobre la tubería.

Calcule la resistencia y la distribución de corriente proveniente de cada una de las fuentes. Mirando hacia los extremos aislados a 30 km de las fuentes: Rso = RG coth(αx) donde: α = 0.0257 x = 30 unidades RG = 0.804 Ω Rso = 0.804 Ω coth(0.771) = 1.242 ohmios Is = Es/Rso Is = 1.0 V / 1.242 Ω = 0.805 A

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Para x = 90 unidades Rso = 0.804 Ω coth(2.313) = 0.820 ohmios Is = 1.0 V / 0.820 Ω = 1.220 A Cada fuente desplazará el potencial de su extremo de la línea en: E = Es cosh(αy) - RGIs senh(αy) donde: y = 30 unidades α = 0.0257 RG = 0.804 Ω Is = 0.805 A Es = 1.0 V E = 1.0 V cosh(0.771) – (0.804 Ω x 0.805 A) senh(0.771) E = 0.762 voltios Cada fuente desplazará el potencial del extremo opuesto de la línea en: E = Es cosh(αy) – RGIs senh(αy) donde: y α RG Is Es

= 90 unidades = 0.0257 = 0.804Ω = 1.220 A = 1.0 V

E = 1.0 V cosh(2.313) – (0.804 Ω x 1.220 A) senh(2.313) E = 0.195 voltios El desplazamiento total de potencial en los extremos será de: E = 0.762 V + 0.195 V = 0.957 voltios En cada fuente, el desplazamiento de potencial será de 1.0 voltio proveniente de la fuente local, más el siguiente desplazamiento proveniente de la otra fuente:

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E = Es cosh(αy) – RGIs senh(y) donde: y α RG Is Es

= 60 unidades = 0.0257 = 0.804Ω = 1.220 A = 1.0 V

E = 1.0 V cosh(1.542) – (0.804 Ω x 1.220 A) senh(1.542) E = 0.257 voltios Esto da por resultado un desplazamiento total del potencial en cada fuente de: E = 1.000 V + 0.257 V = 1.257 voltios El desplazamiento de potencial en el dentro de la tubería proveniente de cada fuente será de: E = Es cosh(αy) – RGIs senh(αy) donde: y α RG Is Es

= 30unidades = 0.0257 = 0.804 Ω = 1.220 A = 1.0 V

E = 1.0 V cosh(0.771) – (0.804 Ω x 1.22 A) senh(0.771) E = 0.479 voltios El desplazamiento total será de: E = 0.479 V + 0.479 V = 0.958 voltios La razón entre el mayor desplazamiento de potencial sobre la tubería y el menor desplazamiento de potencial usando una única fuente de energía es: Razón del Desplazamiento de Potencial (1 fuente) = 1/0.4 = 2.5

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En el caso de las dos fuentes de energía, la razón es de: Razón del Desplazamiento de Potencial (2 fuentes) = 1.257/0.957 = 1.31 Todos los desplazamientos de potencial son negativos con respecto al terreno remoto. La distribución es considerablemente mejor que para una única fuente.

Instalación de un Ánodo Profundo En la traza no hay espacio para instalar dispersores convencionales. Los ensayos de resistividad por capas de Barnes indican un estrato de 1000 ohm-cm a una profundidad de entre 50 y 80 metros, en los kilómetros 30 y 90. Esto sugiere que un ánodo profundo sería una Buena opción para el sistema de protección catódica de esta tubería. El diseño que vemos en la Figura 5.7 es adecuado, similar a un sistema patentado del tipo recuperable. Al diseñar ánodos profundos, hay que tener en cuenta todas las reglamentaciones ambientales con respecto al sellado de acuíferos y de la superficie. La dimensión “x” sería de 50 metros (la profundidad hasta el estrato de 1000 ohm-cm). Se estima un requerimiento de corriente bajo (alrededor de 1,0 amperio por cada dispersor). Teniendo en cuenta la posibilidad de que la calidad del revestimiento sea inferior a la prevista y el futuro deterioro del revestimiento, diseñe cada dispersor con una capacidad de 4,0 A. En este proyecto en particular, el material anódico del sistema por corriente impresa no es crítico. En este caso, para mayor confiabilidad, diseñaremos cuatro (4) ánodos individuales en cada dispersor, con centros cada 3 metros. Debe dimensionarse cada ánodo en forma conservadora, para que suministre la mitad de la corriente total requerida del dispersor (2 A) durante toda la vida útil. No es realista diseñar un sistema de ánodo profundo con una vida útil de más de aproximadamente 20 años; por lo que, para estos dispersores, cada ánodo individual deberá suministrar 20 años de operación a una corriente promedio de 2 A. La densidad de corriente debe estar dentro del rango de valores recomendado para el material elegido.

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SHUNT BOX

TAPA DEL POZO VENTEO

NIVEL AL RECTIFICADOR CASING

X meters

GRAVA L

ÁNODOS (Requeridos) COQUE

Y metros

20 cm

Figura 5.7 Ánodo Profundo

La dimensión "y'' será: y = 4 x 3 = 12 metros Usando la formula de Dwight para una única jabalina (tubo) vertical en la tierra:

R=

0.005ρ ⎛ ⎛ 8L ⎞ ⎞ ⎜ ln⎜ ⎟ − 1⎟ con la parte superior del ánodo en la superficie. πL ⎜⎝ ⎝ d ⎠ ⎟⎠

donde: ρ L d

= 1000 ohm-cm = 12 metros = 0.2m

R = (0.133 Ω)(5.174) = 0.69 ohmios Esta ecuación de Dwight se basa en un ánodo que desciende desde la superficie de la tierra. Existe otra ecuación para usar cuando todo el electrodo (dispersor) se halla a infinita profundidad:

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R=

0.005ρ ⎛ ⎛ 4L ⎞ ⎞ ⎜ ln⎜ ⎟ − 1⎟ con la parte superior del ánodo a infinita πL ⎜⎝ ⎝ d ⎠ ⎟⎠

profundidad. Usando esta ecuación con nuestros números: R = (0.133 Ω)(4.481) = 0.596 ohmios La resistencia probable para un ánodo profundo se encuentra en algún punto entre estos dos límites. Tomando los resultados de la primera ecuación (standard), el voltaje requerido para el rectificador es de: E = IR = 4 A x 0.69 Ω = 2.75 voltios Teniendo en cuenta un contra-potencial del tubo al ánodo de unos 2,0 voltios, elija rectificadores que sean capaces de suministrar de 0 a 4 A, a un voltaje de 5 a 6 voltios, continuamente variables. En tuberías largas, como en este caso, siempre diseñe las siguientes características de control de corrosión y monitoreo: •

Protección anti-rayos para las juntas aislantes y los rectificadores.



Estaciones de medición en todos los cruces con otras tuberías o sistemas de cableado.



Estaciones de medición de corriente (caída óhmica) en todos o la mayor parte de los cruces con rutas.



Un programa regular para monitorear la efectividad de la protección catódica.

PRECAUCIÓN: Si la tubería comparte traza con líneas elevadas de alta tensión, debe realizarse un estudio para determinar los requerimientos en cuanto a la seguridad tanto de la construcción como de la operación de la tubería. Este estudio indicará qué medidas de seguridad (por ej., puesta a tierra, protección del personal) se requieren durante la construcción. Además, puede resultar necesario diseñar mecanismos permanentes para la mitigación de corriente AC inducida, protección de fallas y seguridad del personal.

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RESUMEN DE DATOS Y CHECKLIST

PC con Ánodo Profundo Tubería de transporte de gas revestida de 120,7 km de largo y 40,6 cm de diámetro

Título del Proyecto Descripción General

Historial



Estructura proyectada (sin construir)

X

Relevamiento realizado

X

previo

a

la

construcción:

No

Estructura existente

ND

Relevamiento de evaluación (condiciones): realizado

ND

Vida Útil (Duración)

Diseñada

para

la

Estructura

40 años

Superficies a Proteger DESCRIPCIÓN

SUPERFICIE TOTAL (m2)

Externa

151,680

Interna

ND

Longitud total (si se trata de un único tubo/cable largo)

120,700 m

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Material(es) de Construcción Metal (aleación)

Sensible a Álcalis

Sensible al Hidrógeno

Sensible a la Velocida d

Superfi cie

Designación







no

Cm2

X

X

ND

Juntas

…

1.

no

no

X

Acero al carbón 2. 3. 4.

Método(s) de Fabricación Soldadura X Mecánica

X

Revestimiento(s) de Protección Tipo

Espesor

1. Polietileno

Tolerancia a la PC Sí no

1.2 mm

X

Estimación del % Cubierto 99 %

2.

mm

%

3.

mm

%

Aislación Eléctrica y Puesta a Tierra SÍ Estructura aislada

X

La estructura puede aislarse

X

Si está aislada, requiere protección contra descargas eléctricas

X

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NO

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Medio Descripción Resistividad cm)

rural (ohm

4,000

Velocidad (cm/seg)

ND

Temperatura (oC)

Amb

SÍ Disponibilidad Comercial

de

Otras Involucradas Presencia de Vagabundas Peligro de Explosión

Energía

X

Estructuras

X

NO

Corrientes

Incendio

X

y/o

X

Consideraciones con Respecto a la Protección Catódica SÍ Atenuación eléctrica en la estructura

NO

X

Atenuación eléctrica en el ánodo

X

Fragilización por hidrógeno en la estructura

X

Formación de hidruros en la estructura

X

Efecto de la PC sobre la química de procesos

X

Interferencia por corrientes vagabundas

X

Consideraciones con respecto a la seguridad

X

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Acero Revestido/Magnesio/Ánodos Distribuidos Descripción En un camping para casas rodantes se han verificado pérdidas cada vez mayores en los servicios de gas (acero sin revestir). Se ha establecido que la causa de las pérdidas es la corrosión. La totalidad del sistema de gas consiste en 670 metros de tuberías principales de 6 cm de diámetro, y 81 servicios de 2.7 cm de diámetro que van de 3 a 9 metros de longitud. Los servicios, de paredes relativamente delgadas, han sido reemplazados con tubos de acero revestido con epoxi, del mismo tamaño de los tubos originales. Los servicios se conectan directamente con las viejas tuberías principales de acero al desnudo, pero están aisladas en la conexión a cada casa. Se ha instalado una junta aislante en el medidor principal del camping. La Figura 5.8 muestra la disposición del camping. Prepare un diseño de protección catódica para el sistema de gas en el camping para casas rodantes, capaz de extender la vida útil de las tuberías alrededor de 20 años.

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SISTEMA DE ÁNODOS DE MAGNESIO DISTRIBUIDOS PEQUEÑAS TUBERÍAS DE DISTRIBUCIÓN DE GAS, DESNUDAS Y REVESTIDAS

CAMPING PARA CASAS RODANTES Medidor Principal 670 metros de tuberías principales de 6 cm de diámetro

81 Servicios revestidos de 2.7 cm de diám. Todos los servicios están aislados en la casa rodante

Figura 5.8 Sistema de Ánodos Galvánicos Distribuidos

Plan de Trabajo 1.

Obtener datos de resistividad y composición química del suelo

2.

Excavar y examinar la tubería a fin de determinar el tipo de corrosión.

3.

Determinar la efectividad de la aislación.

4.

Realizar un relevamiento tubo-suelo del sistema de gas.

5.

Realizar un ensayo de requerimiento de corriente.

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6.

Preparar los detalles para un diseño adecuado.

Resultados de los Relevamientos 1.

La resistividad del suelo va de los 1,000 a los 3,400 ohm-cm. En líneas generales, una zona (que incluye alrededor del 6 por ciento de tuberías) tiene un promedio de unos 3,400 ohm-cm, y las restantes zonas del camping (94 por ciento de tuberías) tienen suelos con una resistividad promedio de 1,400 ohm-cm. No se detectaron cloruros ni sulfuros en la composición química del suelo. El pp. es ligeramente ácido, 5.7.

2.

Al excavar la tubería principal sin revestir en la zona de 1,500 ohmcm de resistividad, se encuentra pérdida general de metal con un perfil irregular en la superficie. Esta apariencia es típica de la corrosión galvánica generalizada.

3.

Un relevamiento con un localizador de contactos detecta una junta aislante en corto en uno de los servicios. Se procede a aislar el servicio y se vuelve a verificar el sistema de gas en busca de otros contactos o corto-circuitos. No se encuentra ninguno.

4.

Se realiza un relevamiento general de potenciales tubo-suelo con datos tomados de todas las juntas aislantes de los servicios. Las mediciones van de –600 mV a –740 mV con respecto a un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado.

5.

Para el ensayo de requerimiento de corriente, realice una estimación de la superficie de contacto del acero con el suelo

As = πdL donde: d L As

= diámetro del tubo = 0.06 m. = longitud de las tuberías principales = 670 m = 3.1416 x 0.06 m x 670 m = 126 m2.

Suponiendo que 2.15 μa/cm2 protegerán los tubos de acero aislados contra la corrosión galvánica, la corriente requerida total será: I = iAs

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donde: A = 126 m2 x 10,000 cm2 / m2 = 1.26 x 106 cm2 I = 2.15 x 10-6 A/cm2 x 1.26 x 106 cm2 = 2.71 A Los registros de los tubos tienen una precisión de solo 10%m por lo tanto estimaremos la corriente requerida en aproximadamente 3.0 amperios. Usando un desagüe de acero aislado como ánodo de ensayo y una batería de automóvil de 12 voltios (la única fuente de corriente disponible), mida el desplazamiento del potencial tubo-suelo para la corriente que circula, cualquiera sea ésta. La corriente es de 5.1 A y el desplazamiento promedio del potencial tubo-suelo en el extremo que corresponde a las casas rodantes de varios servicios es de –505 mV o: R (factor de acoplamiento) = ΔV / ΔI = –505mV/5.1A = –99 mV/A El desplazamiento del potencial tubo-suelo producido por la corriente estimada de 3.0 A (basados en los 2.15 μa/cm2 ) es de: ΔV = RΔI = –99 mV / A x 3.0 A = –297 mV

Como comprobación adicional, este valor está de acuerdo con los -300 mV de desplazamiento del potencial tubo-suelo con respecto al “terreno remoto” (a 6 metros de la tubería sin revestir). Con frecuencia, un desplazamiento de potencial de esta magnitud es suficiente para producir la polarización electroquímica necesaria para alcanzar varios de los criterios de protección catódica reconocidos. 6.

Prepare un Resumen de Datos y Checklist para el proyecto (véase el final del problema).

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Cálculos de Diseño para este Ejemplo La extensa configuración de tubos sin revestir requiere un ánodo profundo (a unos 100 a 150 metros de profundidad), un dispersor remoto convencional o un sistema de ánodos distribuidos para lograr una distribución de corriente razonable. Un ánodo profundo para este proyecto tiene un costo aproximado de $25,000 (1999). Un dispersor convencional no resulta práctico debido a que los límites de la propiedad no están lo suficientemente alejados (100 a 200 metros) como para lograr una separación adecuada entre el dispersor y las tuberías. Por lo tanto, la opción más lógica para nuestro diseño de protección catódica es un sistema de ánodos distribuidos. La resistividad relativamente baja del suelo (1,400 a 3,400 ohm-cm) suministrará un medio apto para los ánodos galvánicos. El magnesio de alto potencial tiene un potencial de alrededor de –1.75 voltios con respecto a una hemi-celda de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado. El potencial promedio del sistema de gas fue medido en –0.670 voltios CSE. El potencial impulsor neto inicial para la activación de la protección catódica es de: E = -1.750 V – (– 0.670 V) = –1.080 voltios Un ánodo de alto potencial de 14.5 kg (32 lb.) tiene aproximadamente 0.5 m de largo por 13 cm de diámetro. Usando la formula de Dwight para la resistencia de una vara vertical en un suelo de 1,400 ohm-cm:

R=

0.005ρ ⎛ ⎛ 8L ⎞ ⎞ ⎜ ln⎜ ⎟ − 1⎟ πL ⎜⎝ ⎝ d ⎠ ⎟⎠

donde: ρ L d

= 1,400 ohm-cm = 0.5 metros = .13 metros

R = (4.456) x (2.43) = 10.8 ohmios/ánodo El drenaje máximo de corriente de un ánodo es de: I = 1.08 V/10.8 Ω= 0.100 A

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Para los ánodos en la zona de suelo de 3,400 ohm-cm: R = 10.8 Ω x (3400/1400) = 26.2 ohmios I = 1.08 V/26.2 Ω= 0.041 A El seis por ciento de los tubos se halla en el suelo de 3,400 ohm-cm. Suponemos entonces que la corriente necesaria para estos tubos constituye el 6% de la corriente total estimada para el camping: I(3400) = 0.06 x 3.0 A = 0.180 A El resto de la corriente (2.82 A) deberá estar en el suelo de 1,400 ohmcm. Supondremos que los ánodos individuales del sistema de ánodos distribuidos están lo suficientemente separados (alrededor de 6 metros) como para no interferir eléctricamente uno con otro. La cantidad de ánodos requerida en la zona de suelo de 3,400 ohm-cm será de: N = IT/Ia donde: IT Ia

= corriente total (0.180 A) en el suelo de 3,400 ohm-cm = drenaje de un solo ánodo (0.041 A)

N = 0.180 A / 0.041 A = 4.3 = 5 ánodos En el suelo de 1,400 ohm-cm: N = 2.82 A / 0.100 A = 28.2 = 29 ánodos Los ánodos deberán tener siempre la misma separación a lo largo de la tubería sin revestir, teniendo en cuenta las zonas de distinta resistividad. Los ánodos deben colocarse a aproximadamente 1 metro de la tubería y la parte superior del ánodo debe situarse a aproximadamente la misma profundidad que la tubería. Con una estimación de costo de alrededor de $280 por ánodo (1999), el sistema de protección completo costará $9,520. Esto es, menos de la mitad de lo que costaría un ánodo profundo en este ejemplo. Podemos hacer una estimación de la vida útil de los ánodos. Supongamos que el tubo de acero se polarizará hasta alcanzar un

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potencial de al menos –0.850 voltios CSE. Esto resultará en un potencial impulsor para los ánodos de: E = –1.75 V – (–0.850 V) = –0.90 voltios En la zona de 1,400 ohm-cm, eventualmente la corriente por ánodo será de: I = 0.90 V /10.8 Ω = 0.083 A A una eficiencia del 50%, la capacidad amperio-hora del magnesio es de 1100 A-hr/kg. Dividiendo 1100 por 8766 (cantidad de horas en un año), obtenemos un valor de 0.125 A-año/kg. La vida útil estimada en años para un ánodo promedio en la zona de 1,400 ohm-cm es de:

fu Ca W I donde: t=

t fu Ca W I

= vida útil del ánodo (en años) = factor de utilización (85%) = capacidad de 0.125 A-año/kg a un 50% de eficiencia = 14.5 kg (peso de un ánodo) = 0.083 A (drenaje promedio de corriente a lo largo de la vida útil del ánodo)

t = 18.6 años Esto resulta un 7% menor que la vida útil requerida para nuestro diseño. El próximo tamaño standard de ánodos de magnesio pesa 21.8 kg (48 lb.). La vida útil estimada para estos ánodos más grandes es de: t = (0.85 x (0.125 A-año/kg) x 21.8kg)/0.083A= 27.9 años En el suelo de 3,400 ohm-cm, los ánodos de 14.5 kg tendrán una vida útil de: I = 0.90 V/26.2 Ω= 0.034 A t = (0.85 x (0.125 A-año/kg) x 14.5yr) /0.034A = 45.3 años

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RESUMEN DE DATOS Y CHECKLIST

Sin revestir/Aislado/Ánodos Distribuidos

Título del Proyecto

Galvánicos

Descripción General 670 metros de tuberías de distribución de gas de 6 cm de diámetro, con 81 servicios revestidos de 2.7 cm de diámetro

Historial



No

Estructura proyectada (sin construir)

X

Relevamiento realizado

X

previo

a

la

construcción:

Estructura existente

X

Relevamiento de evaluación (condiciones): realizado

X

Vida Útil (Duración)

Diseñada

para

la

Estructura

Superficies a Proteger DESCRIPCIÓN

SUPERFICIE TOTAL (m2)

Externa

126

Interna

ND

Longitud total (si se trata de un único tubo/cable largo)

670 m

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20 años

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

5:55

Material(es) de Construcción Metal (aleación)

Sensible a Álcalis

Sensible al Hidrógeno

Sensible a la Velocida d

Superfi cie

Designación







no

Cm2

X

X

ND

Juntas

…

1.

no X

no

Acero al carbón 2. 3. 4.

Método(s) de Fabricación Mecánica Soldadura X

X

Revestimiento(s) de Protección Tipo

Espesor

Tolerancia a la PC Sí no

Estimación del % Cubierto

1. Ninguno

mm

%

2.

mm

%

3.

mm

%

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

5:56

Aislación Eléctrica y Puesta a Tierra SÍ Estructura aislada

X

La estructura puede aislarse

X

NO

Si está aislada, requiere protección contra descargas eléctricas

X

Medio Descripción Resistividad cm)

Suburbano (ohm

1,400 & 3,400

Velocidad (cm/seg)

ND

Temperatura (oC)

Amb

SÍ Disponibilidad Comercial

de

Otras Involucradas Presencia de Vagabundas Peligro de Explosión

Energía

NO

X

Estructuras

X

Corrientes

X

Incendio

y/o

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X

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Consideraciones con Respecto a la Protección Catódica SÍ

NO

Atenuación eléctrica en la estructura

X

Atenuación eléctrica en el ánodo

X

Fragilización por hidrógeno en la estructura

X

Formación de hidruros en la estructura

X

Efecto de la PC sobre la química de procesos

X

Interferencia por corrientes vagabundas

X

Consideraciones con respecto a la seguridad

X

Información adicional: Las tuberías de servicio van de 3 a 9 metros de longitud. Todas han sido reemplazadas con acero revestido y aisladas únicamente en el extremo correspondiente a las casas rodantes. El historial de la zona sugiere que para el acero sin revestir se requieren 2.15 μA/cm2 para polarizar electroquímicamente las tuberías enterradas en este suelo para alcanzar los requisitos de la Natural Gas Pipeline Safety Act (40CFR, Parte 192). Los ensayos de campo indican que la densidad de corriente antes mencionada producirá un desplazamiento del potencial tubo-suelo de alrededor de –300 mV con la referencia colocada a unos 6 m del tubo.

Hierro Dúctil/Magnesio/Ánodos Distribuidos Descripción Se reemplazarán varias cuadras de tuberías de distribución de agua de una ciudad con tubos de hierro dúctil. El tubo tendrá 20 cm de diámetro y 5.5 metros de largo y tendrá juntas del tipo campana y espiga con uniones de goma. El suelo en la zona tiene una resistividad promedio de 1,000 ohm-cm y generalmente está húmedo. Resulta aceptable aislar

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5:57

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

eléctricamente los servicios de agua de la tubería principal incluyendo un pequeño tramo de tubo plástico en el servicio, y unir los tramos de tubo a fin de tener continuidad eléctrica. Diseñe un sistema de protección catódica con una vida útil de 30 años, usando ánodos galvánicos de sacrificio. El alumno deberá preparar un Resumen de Datos y una Checklist para este problema. Al final de esta sección encontrará un formulario en blanco.

Cálculos La superficie aproximada de cada tramo de tubo es de: As = πdL donde: As d L As

= superficie (m2) = diámetro (m) = longitud (m)

= 3.5 m2/tramo

Realice una estimación de la corriente requerida para proteger la totalidad de la superficie metálica de un tramo de tubo utilizando una densidad de corriente de 2.15 μA/cm2: I = iAs donde: I = corriente requerida (A) icp = densidad de corriente requerida (A/cm2) As = superficie por tramo (cm2) I = 2.15 x 10-6 A/cm2 x 3.5 x104 cm2= 0.075 A/tramo La vida útil del sistema anódico deberá ser como mínimo de 30 años. A un 50% de eficiencia, los ánodos de magnesio tienen una capacidad de 1100 A-hr/kg (0.125 A-año/kg). El peso de magnesio necesario para suministrar la vida útil de 30 años se obtiene mediante la siguiente fórmula:

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5:58

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

W = It/fuCa donde: W I t fu Ca

= peso del metal (kg) = drenaje de corriente promedio a lo largo de la vida útil (amp) = vida útil (años) = factor de utilización (85%) = capacidad de amperaje del metal (A-año/kg)

La corriente promedio (I) debe calcularse a partir de la formula de Dwight para la resistencia de un electrodo vertical y del potencial polarizado calculado para el tubo.

R=

0.005ρ ⎛ ⎛ 8L ⎞ ⎞ ⎜ ln⎜ ⎟ − 1⎟ πL ⎜⎝ ⎝ d ⎠ ⎟⎠

donde: ρ L d

= 1,000 ohm-cm = longitud del ánodo (suponemos 0.5 m) = diámetro del ánodo (suponemos .13 m)

R = (3.183 Ω)(2.43) = 7.73 ohmios/ánodo

Suponga un potencial tubo-suelo inicial de –540 mV CSE. El magnesio standard (aleación H-1) tiene un potencial de –1550 mV CSE. El potencial impulsor neto será de: E = –1550 mV– (–540) mV = –1010 mV (–1.01 V) I = 1.01 V/ 7.73 Ω = 0.131 A/ánodo La densidad de corriente hacia un tramo de tubo sería de: i = 0.131 A / 3.5 m2 = 0.037 A/m2 = 3.7 μA/cm2 Se prevé que el tubo se polarizará intensamente a esta densidad de corriente. Suponga un potencial polarizado operativo del tubo igual a 1000 milivoltios CSE. El potencial impulsor operativo de un ánodo de magnesio standard será entonces de:

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5:59

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

E = –1550 mV – (–1000 mV) = –550 mV (0.55 voltios) La corriente de estado estacionario por ánodo será de: I = 0.55 V / 7.73 Ω = 0.071 A Reemplazando este valor de corriente en la formula del peso: W = (0.071 A x 30 años)/(0.125 A-año/kg x 0.85) = 20 kg El ánodo comercial más cercano a este peso es el de 21.5 kg. Estos ánodos tienen el mismo diámetro que el que supusimos al calcular la resistencia (13 cm), pero tienen 0.8 m de longitud. La mayor longitud del ánodo disminuirá su resistencia a 7.1 ohmios. Esto no afectará los resultados en forma significativa. El diseño para la protección de los tubos de hierro dúctil debe incluir entonces un ánodo de magnesio standard de 21.5 kg unido a cada tramo de tubo. Deben incluirse estaciones de medición en varios puntos a lo largo de la tubería reemplazada, para permitir el monitoreo de la salida de corriente y del potencial.

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5:60

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

5:61

RESUMEN DE DATOS Y CHECKLIST Título del Proyecto Descripción General

Historial



Estructura proyectada (sin construir) Relevamiento realizado

previo

a

la

construcción:

Estructura existente Relevamiento de evaluación (condiciones): realizado Vida Útil (Duración)

Diseñada

para

la

Estructura

Superficies a Proteger DESCRIPCIÓN

SUPERFICIE TOTAL (m2)

Externa Interna Longitud total (si se trata de un único tubo/cable largo)

m2

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No

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

5:62

Material(es) de Construcción Metal (aleación)

Sensible a Álcalis

Sensible al Hidrógeno

Sensible a la Velocida d

Superfi cie

Designación



no



no



Cm2

Método(s) de Fabricación Soldadura … Mecánica

…

Juntas

no

1. Acero al carbón 2. 3. 4.

…

Revestimiento(s) de Protección Tipo

Espesor

Tolerancia a la PC Sí no

Estimación del % Cubierto

1.

mm

%

2.

mm

%

3.

mm

%

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

5:63

Aislación Eléctrica y Puesta a Tierra SÍ

NO

Estructura aislada La estructura puede aislarse Si está aislada, requiere protección contra descargas eléctricas

Medio Descripción Resistividad cm)

(ohm

Velocidad (cm/seg) Temperatura (oC)

SÍ Disponibilidad Comercial

de

Otras Involucradas

Estructuras

Presencia de Vagabundas Peligro de Explosión

Energía

Corrientes

Incendio

y/o

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NO

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Consideraciones con Respecto a la Protección Catódica SÍ Atenuación eléctrica en la estructura Atenuación eléctrica en el ánodo Fragilización por hidrógeno en la estructura Formación de hidruros en la estructura Efecto de la PC sobre la química de procesos Interferencia por corrientes vagabundas Consideraciones con respecto a la seguridad

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NO

5:64

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Acero Revestido/Rectificador/Dispersores Convencionales Descripción Se está construyendo un conjunto de viviendas. Junto con otras instalaciones, se incluye un sistema de distribución de gas de acero soldado. La tubería de gas es de tubo de 15.2 cm de diámetro, revestido con epoxi fundido. La longitud total de las tuberías de gas es de 3,700 metros. Los servicios son de plástico. Las interconexiones con las líneas de suministro de gas existentes tienen juntas aislantes. Hay un pequeño arroyo y una zona parquizada entre las dos secciones del barrio. La Figura 5.9 muestra la disposición general del proyecto.

Tuberías de Distribución Zona Parquizada

Sección "A"

Sección "B"

Arroyo Figura 5.9 Conjunto de Viviendas

Siguiendo las prácticas generales para instalaciones de gas, se instalan estaciones de medición en todas las juntas aislantes principales y en varios puntos distribuidos a lo largo del barrio. Diseñe un sistema de protección catódico adecuado para las tuberías de distribución de gas.

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5:65

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Análisis El primer paso consiste en obtener datos acerca del medio y de los parámetros eléctricos del sistema de gas. En este caso, los datos indican que las tuberías están aisladas de puestas a tierra accidentales y de otras conexiones. El suelo es natural y está libre de desperdicios y basura. La resistividad es variable, con un valor medio de 5,000 ohm-cm. Más adelante se suministra el Resumen de Datos y la Checklist. La disposición del barrio se presta por sí misma a la protección catódica. La zona parquizada con el arroyo natural en el centro de la red de tuberías constituye la ubicación más lógica para un dispersor. El arroyo ofrece una solución fácil para la medición in situ de la protección catódica antes de la construcción definitiva. Se despliega un rollo de papel de aluminio a lo largo del arroyo, en forma perpendicular a la tubería principal de gas. Se aplica una corriente de ensayo conocida entre la tubería y el papel de aluminio, y se obtienen cuplas eléctricas (desplazamiento de potencial tubo-suelo por amperio de corriente de ensayo) en varias ubicaciones dentro del barrio cerrado. El valor de cupla promedio es de 0.180 voltio/amperio. Éste es un valor relativamente bajo para esta cantidad de tubería revestida. Se realiza una búsqueda de uno o más cortos o puestas a tierra a otras estructuras. No se encuentran cortos ni una única ubicación de revestimiento en mal estado. El ensayo E Log i es un método sólido para determinar los requerimientos de corriente en los casos en que hay muchas fallas en el revestimiento (baja resistencia tubo-suelo) y baja concentración de oxígeno sobre la superficie del tubo. Se hace una estimación del rango esperable del requerimiento de corriente, usando un desplazamiento del potencial tubo-suelo de –0.300 voltios. I = ΔV/R donde: I ΔV R

requerimiento de corriente esperable (A) 0.300 voltios de desplazamiento del potencial tubo-suelo valor de cupla voltio/amperio (ohmios)

I = 0.300 V / 0.18 V/A = 1.67 A

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5:66

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Para llevar a cabo un ensayo E Log i aceptable, se requiere una fuente de corriente que pueda suministrar alrededor de cuatro veces la corriente que en realidad se necesita para la protección. En este caso, la capacidad de corriente de la fuente de energía del ensayo debe ser de alrededor de 7.0 amperios. Si la resistencia de nuestro dispersor de aluminio es de 3 ohmios, la fuente debe tener un rango de voltaje de: E = 7.0 A x 3 Ω= 21 voltios Para obtener datos precisos con un E Log I, se requiere una salida continuamente variable desde la fuente de energía. Los resultados del ensayo E Log i indican que el comportamiento de “Tafel” ocurre a una corriente superior a los 1.2 A. Previendo el futuro deterioro de las propiedades eléctricas del sistema de tuberías, diseñe el dispersor permanente para que suministre alrededor de 2.5 A. Dado que la zona donde se instalará el ánodo en una zona parquizada, el voltaje anódico debe mantenerse dentro de límites seguros. Elegiremos 12 voltios como límite máximo. En base a todo esto, la resistencia a tierra del dispersor definitivo debe ser de: R = E/I donde: R E I

= resistencia deseada (ohmios) = máximo potencial permitido menos contratensión galvánico ánodo/tubo (10 voltios) = corriente máxima deseada (2.5 A)

R = 10 V / 2.5 A = 4 ohmios Los ánodos de mixed metal oxide pre-empaquetados son livianos y fáciles de instalar con equipo liviano. Los típicos ánodos de este tipo tienen una dimensión de 7.62 cm de diámetro por 1.5 metros de longitud. Usando la formula de Dwight para una jabalina vertical:

R=

0.005ρ ⎛ ⎛ 8L ⎞ ⎞ ⎜ ln⎜ ⎟ − 1⎟ πL ⎜⎝ ⎝ d ⎠ ⎟⎠

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5:67

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

donde: ρ L d

= 5,000 ohm-cm = longitud del ánodo(1.5 m) = diámetro del ánodo (.076 m)

R = (5.3 Ω)(4.059) = 21.5 ohmios/ánodo Para lograr un dispersor de 4 ohmios (con ánodos ampliamente separados entre sí) se requerirá: N = Ra/RT donde: N Ra RT

= cantidad de ánodos en paralelo = resistencia de un único ánodo (21.5 ohmios) = resistencia total del dispersor (4.0 ohmios)

N = 5.4 = 6 ánodos Para una separación entre ánodos de 3 metros, usamos la ecuación de Sunde:

R=

⎞ 0.005ρ ⎛ ⎛ 8L ⎞ 2L ln(0.656N)⎟⎟ ⎜⎜ ln⎜ ⎟ − 1 + πNL ⎝ ⎝ d ⎠ s ⎠

donde: RN ρ N L d s

= resistencia del dispersor (ohmios) = resistividad promedio del suelo (5,000 ohm-cm) = cantidad de ánodos en paralelo = longitud de un ánodo (1.5 m) = diámetro del ánodo (0.0762 m) = separación entre ánodos dentro del dispersor (3 m)

RN = (0.884 Ω) [ln(157) –1 + 1 x ln(3.936)] RN = (0.884 Ω) (4.06 + 1.370) = 4.8 ohmios Esta resistencia es un 20% mayor de la deseada. Por lo tanto, para alcanzar los resultados deseados, se aumentará la cantidad de ánodos de 6 a 7.

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

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RESUMEN DE DATOS Y CHECKLIST

Acero Revestido/Rectificador/Dispersor Convencional

Título del Proyecto

Descripción General 3,700 metros de tuberías revestidas y aisladas de distribución de gas de 15.2 cm de diámetro

Historial



No

Estructura proyectada (sin construir) Relevamiento realizado

previo

a

la

X

construcción:

X

Estructura existente

X

Relevamiento de evaluación (condiciones): realizado Vida Útil (Duración)

Diseñada

para

la

ND

Estructura

Superficies a Proteger DESCRIPCIÓN

SUPERFICIE TOTAL (m2)

Externa

1,767

Interna

ND

Longitud total (si se trata de un único tubo/cable largo)

3700 m2

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30 años

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

5:70

Material(es) de Construcción Metal (aleación)

Sensible a Álcalis

Sensible al Hidrógeno

Sensible a la Velocida d

Superfi cie

Designación







no

Cm2

X

X

ND

Juntas

…

1.

no

no

X

Acero al carbón 2. 3. 4.

Método(s) de Fabricación Soldadura Χ Mecánica

…

Revestimiento(s) de Protección Tipo

1. Epoxi fundido

Espesor

Tolerancia a la PC Sí no

1.0 mm

X

Estimación del % Cubierto ?%

2.

mm

%

3.

mm

%

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Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

5:71

Aislación Eléctrica y Puesta a Tierra SÍ Estructura aislada

X

La estructura puede aislarse

X

NO

Si está aislada, requiere protección contra descargas eléctricas

X

Medio Descripción

suburbano

Resistividad (ohm-cm)

5,000

Velocidad (cm/seg)

ND

Temperatura (oC)

amb

SÍ Disponibilidad Comercial

de

Otras Involucradas Presencia de Vagabundas Peligro de Explosión

Energía

X

Estructuras

X

Corrientes

Incendio

y/o

Maual del Curso CP 4–Especialista en Protección Catódica © NACE International, 2005 10/2005

NO

X X

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Consideraciones con Respecto a la Protección Catódica SÍ

NO

Atenuación eléctrica en la estructura

X

Atenuación eléctrica en el ánodo

X

Fragilización por hidrógeno en la estructura

X

Formación de hidruros en la estructura

X

Efecto de la PC sobre la química de procesos

X

Interferencia por corrientes vagabundas

X

Consideraciones con respecto a la seguridad

X

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5:72

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

Resumen de los Ejemplos 1.

Un ejemplo de diseño de protección catódica que incluye las siguientes características: • • • • •

2.

acero revestido, aislado, con muchas fallas en el revestimiento cuplas mecánicas significativa atenuación de la corriente corrientes vagabundas dinámicas varios dispersores convencionales Un ejemplo de protección "hot spot'' para una tubería de acero de transporte de agua. El diseño incluye las siguientes características: • • • •

3.

Un ejemplo de una tubería de transporte larga y bien revestida, con ánodos profundos. Las características de este diseño son: • • • •

4.

sin revestimiento de protección estructura no aislada sistema de ánodos distribuidos por corriente impresa cálculo de la atenuación el cable colector de los ánodos

revestimiento de alta calidad atenuación a lo largo de la línea diseño de ánodo profundo precaución con respecto a los altos voltajes inducidos

Un ejemplo de una línea de distribución de gas de acero sin revestir, eléctricamente aislada, con ánodos galvánicos distribuidos. El diseño incluye las siguientes características: • estimación de los requerimientos de corriente para el metal desnudo, expuesto al suelo, seguida de ensayos de campo • determinación de la cantidad de ánodos de sacrificio requeridos en suelos de diferentes resistividades • estimación de la vida útil de los ánodos

5.

6.

Un ejemplo de protección para una tubería de distribución de agua eléctricamente discontinua en un suelo húmedo y de baja resistividad, utilizando ánodos galvánicos. Un ejemplo de protección de tuberías y servicios de distribución de gas revestidos y aislados con un dispersor convencional por

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5:73

Ejemplos de Diseño de Sistemas para Tuberías de Transporte y Otras

corriente impresa. El ejemplo muestra el uso de los ensayos in situ para contribuir al diseño de la protección catódica de estructuras a construir.

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5:74

CAPÍTULO 6 Ejemplos de Diseño para Tanques y Casings de Pozos

Ejemplos de Diseño de Tanques de Almacenamiento Enterrados TAE Nuevo Revestido/Magnesio/Distribuido Descripción Se instalarán tres tanques de almacenamiento nuevos de 123,000 litros (35,000 galones) en una pequeña granja de tanques enterrados, como se muestra en la Figura 6.1. Las dimensiones de los tanques son de 3.66 metros (12 pies) de diámetro por 12.2 metros (40 pies) de longitud. Habrá aproximadamente 90 metros (295 pies) de tuberías de 7.3 cm (2.875 pulgadas) de diámetro externo, conectadas directamente a los tanques. Estas tuberías estarán aisladas en las interconexiones con otras estructuras. Diseñe un sistema de protección catódica con ánodos de sacrificio, que proteja la instalación subterránea por un mínimo de 20 años. Suponga que el revestimiento de protección en los tanques será un 90% efectivo (10% al desnudo) y que el revestimiento en los tubos de acero conectados será un 95% efectivo (5% al desnudo). La resistividad del suelo en la zona es de 4,000 ohm-cm.

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Ejemplos de Diseño para Tanques y Casings de Pozos

6:2

13 m. 1 m.

3.7 m.

12.2 m.

TA NQUES DE A LMA CENA MIENTO ENTERRA DOS (NUEV OS, REV ESTIDOS)

Figura 6.1 Disposición de los Tanques

Procedimiento El primer paso en el diseño de la protección catódica consiste en calcular la superficie de cada tanque y de las tuberías de conexión. La superficie de cada tanque será de: As = 2πr2 + πdL donde: As r d L

= superficie (metros cuadrados) = radio del tanque (1.83m) = diámetro del tanque (3.66m) = longitud del tanque (12.2m)

As = 161.3 m2 (1,735 pies cuadrados) Para tres tanques, la superficie total será de 483.9 m2.

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Ejemplos de Diseño para Tanques y Casings de Pozos

6:3

La superficie de las tuberías de conexión es: As = πdL donde: d = diámetro del tubo (0.073m) L = longitud del tubo (90m) As = 20.6m2 (222 pies cuadrados) Puede calcularse el metal expuesto en tanques y tubos de la siguiente manera: Tanques: As = 0.10 x 483.9 m2 = 48.4m2 (521 pies cuadrados) Tubería: As = 0.05 x 20.6 m2 = 1m2 (10.8 pies cuadrados) Por lo tanto, de este cálculo concluimos que la superficie desnuda total prevista es de 49.4 metros cuadrados (532 pies cuadrados) o 494,000 centímetros cuadrados. Asuma que los requerimientos de corriente en los suelos de la granja de tanques serán de 2.15 micro-amps por centímetro cuadrado (2 mA/ft2). La corriente total requerida para los 494,000 centímetros cuadrados de acero expuesto es: I = 2.15 x 10-6 A/cm2 x 4.94 x 105 cm2 = 1.06 A. A continuación calcule la cantidad de magnesio requerida para suministrar 20 años a un drenaje constante de 1.06A. El magnesio tiene una capacidad de 0.125 A-año/kg a un 50% de eficiencia. W = (t I)/Ca donde: W T

= peso de magnesio requerido (kg) = tiempo (20 años)

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Ejemplos de Diseño para Tanques y Casings de Pozos

I Ca

6:4

= corriente (1.06A) = capacidad (0.125 A-año/kg)

W = (20 años x 1.06 A)/(0.125 A-año/kg) = 169.6kg (373 libras) Nota: La capacidad (c) incluye el factor de eficiencia de “auto-corrosión” electroquímica. Cuando un ánodo se consume, es imposible utilizar todo el material anódico teóricamente disponible. El tamaño y/o integridad mecánica irán disminuyendo hasta llegar al punto en que el ánodo ya no funcione. Generalmente, se aplica también un factor de utilización del 85%. Esto significa que una vez consumido el 85% del ánodo, ya no se puede confiar en que funcionará eficazmente como ánodo. Por lo tanto, el requerimiento de peso teniendo en cuenta este ajuste es de: W = 169.6 Kg/0.85 = 199.5 = 200 Kg Consideremos los ánodos de magnesio de 14.5 kilogramos (32 lb.). Determine la cantidad de estos ánodos necesarios para llegar a los 200 kilogramos. N = 200 kg/14.5 kg = 13.8 Se requerirán catorce ánodos. A continuación, calcule la resistencia aproximada de un único ánodo en un suelo de 4,000 ohm-centímetro. Despreciando los efectos de la proximidad y la resistencia de los tanques a tierra, los siguientes cálculos nos darán una estimación de la resistencia efectiva1. Usando la ecuación de Dwight: R=

0.005ρ ⎛ ⎛ 8L ⎞ ⎞ ⎜ ln⎜ ⎟ − 1⎟ πL ⎜⎝ ⎝ d ⎠ ⎟⎠

donde: R ρ

= resistencia del ánodo (ohmios) = resistividad (4,000 ohm-cm)

1

La resistencia efectiva del circuito consiste en las resistencias en serie de los tanques al suelo, el cable entre los tanques y los ánodos y la resistencia del ánodo al suelo. También hay efectos de carga mutua (proximidad) entre los diversos componentes que influyen sobre las resistencias efectivas. Las fórmulas utilizadas se basan en la resistencia al terreno remoto. Como los tanques y los ánodos no están en terreno remoto unos respecto de otros, los cálculos constituyen sólo una aproximación.

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Ejemplos de Diseño para Tanques y Casings de Pozos

L d

6:5

= longitud del ánodo (0.5m) = diámetro del ánodo (.13m)

R = (12.7 Ω)(2.43) = 30.9 ohmios Ignorando las dimensiones y resistividad del relleno especial y la resistencia del tanque al terreno remoto, la resistencia aproximada de un único ánodo sería de 31 ohmios. Si usamos magnesio de alto potencial, que opera a un potencial de –1.75 voltios con respecto a la referencia de cobre/sulfato de cobre y el tanque, polarizado a –850 mV (–0.85 voltios), el potencial impulsor neto será de –0.9 voltios. El drenaje de corriente desde un único ánodo (despreciando los efectos de proximidad) se calcula mediante la siguiente ecuación: I = 0.9 V / 31 Ω = 0.03A/ánodo Los 0.03 amperios por ánodo multiplicado por la mínima cantidad de ánodos requeridos en base al peso necesario (14), nos dan una corriente total de: I = 14 x 0.03 A = 0.42A. Esta corriente es menos de la mitad de la requerida para proteger los tanques a la densidad de corriente propuesta de 2.15 microamperios por centímetro cuadrado. Alternativa Consideremos los ánodos de 9 kilogramos. Estos ánodos tienen una longitud de 1.5 metros y un diámetro de 5 centímetros. Una vez más usaremos la fórmula de Dwight con los nuevos valores de L y d: R = (4.24 Ω)(4.48) = 19 ohmios/ánodo. El drenaje de corriente por ánodo es de: I = 0.9 V / 19 Ω = 0.047A./ánodo. La cantidad de ánodos necesaria para producir los 1.06 amperios sería: N = 1.06 A /0.047 A = 22.6. Redondeando, 23 ánodos. El peso total de 23 ánodos de magnesio de 9 kg cada uno es de 207 kilogramos. Esto excede el peso mínimo de 200

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kilogramos requerido para alcanzar una vida útil de 20 años. Por lo que los ánodos deberían durar más que los 20 años requeridos. Por cuestiones de simetría, use 24 ánodos en lugar de 23. Estos ánodos pueden disponerse como se muestra en la Figura 6.2, 22 ánodos alrededor de los tanques y 2 en las tuberías de conexión. 13 m. 1.6 m.

0.5 m

1 m.

3.7 m.

1.5 m.

3.0 m.

12.2 m.

3.0 m.

3.0 m.

TANQUES DE ALMACENAMIENTO ENTE RRADOS UBICACIÓN DE LOS ÁNODOS

Dos (2) Ánodos en la Tubería

Figura 6.2 Disposición de los Ánodos Es recomendable instalar algún tipo de electrodo de referencia permanente bajo el fondo del tanque, y uno o dos cerca de la superficie. Estos últimos pueden usarse para verificar el funcionamiento del sistema de protección catódica a lo largo del tiempo, y también para determinar con precisión la corriente requerida para la protección catódica una vez instalados los tanques. También es recomendable conectar los grupos de ánodos a través de un resistor (shunt) capaz de medir la corriente y prever la inserción en este circuito de una resistencia de control capaz de limitar el flujo de corriente, en caso de que se produjera un drenaje excesivo de corriente innecesaria para la protección una vez instalado el sistema.

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Tanque de Almacenamiento Enterrado Existente/Rectificador/Distribuido Descripción Considere tanques existentes de las mismas dimensiones y disposición que en el problema anterior. Tenga en cuenta además que estos tanques no tienen un revestimiento efectivo, pero están eléctricamente aislados de otras estructuras. Diseñe un sistema de ánodos distribuidos con rectificador que suministre protección catódica a estos tanques de almacenamiento enterrados.

Procedimientos El primer paso consiste en verificar la aislación eléctrica de los tanques. Esto puede hacerse midiendo la resistencia del tanque al terreno remoto o a una estructura con buena puesta a tierra. Los detectores de contactos de AC (corriente alterna) también pueden ser de ayuda. Suponga que se requerirán 2 microamperios por centímetro cuadrado de superficie de tanque para proteger catódicamente los tanques. Utilizando la superficie total de los tanques calculada en el problema anterior, la corriente requerida total se calcula con la siguiente ecuación: IT = Asi donde: IT As i

= corriente total (A) = superficie total de los tanques (4.84 x 106cm2) (5,210 ft2) = densidad de corriente necesaria para la protección (2.0 x 10-6 A/cm2) (1.9 mA/ft2)

IT = 9.7 A Por lo tanto, la corriente requerida es de 9.7 amperios.

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El siguiente paso consiste en verificar que no haya otras estructuras enterradas muy cerca de los tanques, que puedan verse afectadas negativamente por la instalación de los ánodos distribuidos alrededor de los tanques. Supondremos que no se detectaron estructuras en esta situación. Para este problema, elegiremos ánodos tipo jabalina de mixed metal oxide, de 0.64 cm (0.25 pulgadas) de diámetro por 122 cm (4 pies) de largo. Dispuestos en una cápsula metálica de 7.6 cm (3 pulgadas) de diámetro por 152 cm (5 pies) de largo relleno con coque, estos ánodos son aptos para insertar en perforaciones pequeñas en la cercanía de los tanques, donde el espacio es limitado. El siguiente paso consiste en determinar la disposición que suministrará la mejor distribución de la corriente a todas las superficies de los tanques enterrados. La Figura 6.3 muestra los aspectos geométricos de dos típicos tanques, en este grupo de tres tanques. En este caso, la separación entre los tanques y la cubierta sobre ellos es aproximadamente la misma. En esta configuración, la geometría nos lleva naturalmente a instalar ánodos superficiales (a aproximadamente la mitad de la profundidad entre la parte superior del tanque y la superficie), en forma horizontal paralela al lado más largo de los tanques y a mitad de camino entre cada una de las hileras de tanques. Se usa una configuración similar para los tanques externos. Para cubrir los cuadrantes inferiores de los tanques, debe instalarse ánodos verticales, cuyo centro debe estar ubicado lo bastante por debajo de los tanques como para proyectar una buena distribución de la corriente a los fondos de los tanques. La Figura 6.3 muestra la ecuación que indica la distancia entre la superficie del cuadrante inferior del tanque a un ángulo de 45° entre el plano del eje del tanque y el punto central del ánodo.

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h

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1/2 h r

45° 45° A C

d s

B

d d = 1.41 x (r + – r Mejores ubicaciones Best for Anode paraLocations los Ánodos

Figura 6.3 Configuración Geométrica de los Ánodos Los cálculos son: cos 45o d d d

= (r + s)/(r + d) = (r + s)/cos 45o – r = 2 (r + s) - r = 1.41 (r + s) - r

donde: d r s d

= distancia entre la superficie del tanque a 45º por debajo del plano del eje del tanque (m) = radio del tanque (1.83m) = 0.5 x separación entre tanques (0.5m) = 1.46m

La experiencia indica que la corriente de cada ánodo cubrirá adecuadamente la superficie de un tanque en un ángulo de unos 120º desde el centro del ánodo. La longitud de superficie de tanque cubierta se calcula mediante la siguiente ecuación: L = 2 d tan 60°

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donde: L d

= longitud de pared de tanque cubierta (m) = distancia del centro del ánodo a la superficie del tanque (1.46m)

L = 2 x 1.46 m x 1.73 = 5.05m La longitud cubierta (L) es también la separación entre ánodos. La lógica de esta relación tiene que ver con la geometría. La distancia desde el ánodo hasta el punto 1/2 L sobre la superficie del tanque es el doble de la distancia entre el tanque y el ánodo a la altura en que está ubicado el ánodo. En un problema posterior se mostrará cómo el aumento de potencial en la tierra producido por el flujo de corriente desde un ánodo largo y delgado es en líneas generales inversamente proporcional a la distancia desde el ánodo. Si dos ánodos están separados por L metros, cada ánodo generará un aumento de potencial en el punto medio entre los ánodos, igual a aproximadamente la mitad del aumento de potencial en la zona directamente opuesta a cada ánodo. El efecto acumulativo del aumento de potencial en la tierra en el punto entre los ánodos tiende a equilibrar la corriente distribuida a la superficie del tanque. La distribución de la corriente es compleja; sin embargo, los resultados prácticos demuestran que esta relación es muy útil al diseñar sistemas de protección catódica. Como los tanques tienen 12.2 metros de longitud, la cantidad de ánodos requerida para distribuir la corriente a uno de los cuadrantes inferiores es: N = 12.2 m / 5.05 m = 2.42 = 3 ánodos Se necesita un ánodo adicional para distribuir la corriente a cada uno de los extremos de los tanques. La distribución de corriente hacia los cuadrantes superiores de los tanques puede optimizarse instalando ánodos horizontales paralelos a los tanques. Se seleccionan entonces cuatro ánodos para suministrar una distribución de corriente lo más uniforme posible hacia la parte superior de los tanques. La experiencia demuestra que una tapada poco profunda inhibe la corriente que va hacia la parte superior central de los tanques, especialmente en ausencia de un revestimiento de protección adecuado. Los ánodos se instalan siguiendo todas estas consideraciones geométricas, como muestra la Figura 6.4. Hay que tener mucho cuidado de no golpear los tanques durante la perforación y evitar el contacto eléctrico entre los ánodos y los tanques o las tuberías. Rellenando la

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cápsula con coque se garantizará un buen contacto entre el ánodo y el suelo. Los cables colectores se unen en grupos que pasan por una caja de distribución, preferentemente con resistores (shunts) individuales para medir el flujo de corriente hacia cada ánodo. También se unen las puestas a tierra de cada uno de los tres tanques, haciéndolas pasar por una caja de unión común, que se conectará al terminal negativo del futuro rectificador.

TANQUES DE ALMACENAMIENTO ENTERRADOS UBICACIÓN DE LOS ÁNODOS 13 m. 1 m.

120°

3.7 m.

12.2 m.

Figura 6.4 Disposición Definitiva de los Ánodos Con este tipo de tanques ya instalados, es preferible realizar ensayos de requerimiento de corriente para verificar la magnitud real de la corriente necesaria para alcanzar la protección catódica. Como se estima que se requerirán aproximadamente 10 amperios de corriente, deberá emplearse una fuente de energía capaz de suministrar de dos a tres veces esta magnitud de corriente. Según la resistencia real de los ánodos, ésta puede ser un generador portátil regulable o una soldadora. Los rectificadores de ensayo se usan frecuentemente al llevar a cabo ensayos de polarización en este tipo de instalación. Al igual que en el ejemplo anterior, es recomendable instalar uno o más electrodos de referencia a una profundidad capaz de detectar la parte

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inferior de los fondos de los tanques. Estos electrodos de referencia deben situarse en un punto intermedio entre dos de los ánodos profundos instalados entre cada uno de los tanques paralelos. Una vez que se han realizado los ensayos de requerimiento de corriente (usando el criterio E Log i o el de polarización neta), puede comprarse e instalarse el rectificador apropiado. Con el tamaño de los ánodos de mixed metal oxide seleccionado, la máxima corriente por ánodo es de 1.8 amperios/ánodo. Como hay 34 ánodos en este sistema, cada uno capaz de producir 1.8 amperios, los ánodos deberían fácilmente suministrar al menos 20 años de vida útil antes de reemplazarlos.

Ejemplos de Diseño para Fondos de Tanques de Almacenamiento A Nivel Nueva Construcción/Rectificador/Debajo del Tanque Descripción Se construirá un nuevo tanque de combustible de 36.6 metros (120 pies) de diámetro. El tanque incluirá una membrana no metálica, dieléctrica como contención secundaria, que se instalará aproximadamente 1 metro por debajo del tanque. Se instalará una pared anular alrededor del perímetro del tanque, y el relleno dentro de esta pared será arena húmeda. Generalmente, la arena mojada y lavada tiene una resistividad de 10,000 ohm-cm o más. Se prevé que la lluvia eventualmente contaminará la arena dentro del área de contención, lo que puede producir la corrosión del fondo del tanque. Diseñe un sistema de protección catódica que suministre el control de corrosión necesario al fondo del tanque. El sistema anódico deberá tener una vida útil de 40 años.

Procedimiento La contención secundaria actúa como escudo dieléctrico con respecto al fondo del tanque. Esto imposibilita la instalación de los ánodos por debajo de la membrana para proteger el fondo del tanque. El sistema de ánodos debe estar ubicado dentro de la zona de relleno entre el fondo del tanque y la membrana.

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Suponga que la corriente necesaria para suministrar protección catódica en la arena húmeda es de 1 microamperio por centímetro cuadrado. La corriente total requerida para el tanque de 36.6 metros de diámetro puede calcularse de la siguiente manera: IT = Asi donde: IT = corriente total requerida (A) As = superficie del fondo del tanque (1.05 x 107cm2) i = densidad de corriente requerida (1.0 x 10-6 A/cm2) IT = 10.5A La corriente total es de aproximadamente 10.5 amperios. Como la separación entre el tanque y el ánodo será limitada (1 metro como máximo), se usarán varios ánodos tipo cinta para distribuir la corriente al fondo del tanque. La probable superficie de cobertura del ánodo está definida por un ángulo de 120° entre la cinta y el fondo del tanque, como vemos en la Figura 6.5.

1m

60º

d 60º

L = 2d tan 60º

Figura 6.5 Cobertura del Ánodo La cobertura está dada por la siguiente ecuación: L = 2 d tan 60° donde: L d

= ancho de la cobertura desde el ánodo tipo cinta (m) = distancia entre el ánodo tipo cinta y el fondo del tanque (1.0m)

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L = 2 x 1.0 m x 1.73 = 3.46m Por lo tanto, la máxima separación entre los ánodos colocados inmediatamente por encima de la membrana para lograr una cobertura efectiva del fondo del tanque, será de 3.46 metros. Para simplificar el diseño, elegiremos una separación máxima entre las cintas anódicas de tres metros. El siguiente paso consiste en calcular la mínima longitud total del sistema anódico requerida, teniendo en cuenta la separación de tres metros. N = d/s donde: N d s

= cantidad de ánodos tipo cinta en paralelo = diámetro del tanque (36.6m) = separación entre cintas (3.0m)

N = 36.6 m / 3 m = 12.2 Deberá haber 13 cintas con tres metros de separación entre sí. La siguiente ecuación (una variación del Teorema de Pitágoras) define la longitud de cada cinta, desde el centro del tanque hacia uno de los lados. y = (r2 – x2 )0.5 donde: x y r

= distancia del centro del tanque (m). = 1/2 de la longitud de la cinta multiplicada por los metros desde la cinta central = radio del tanque (18.3m)

La Tabla 6.1 resume el cálculo de la longitud total de cinta anódica requerida para la configuración mínima.

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Tabla 6.1 Longitudes de las Cintas Anódicas x(m)

y(m)

0 3 6 9 12 15 18 TOTAL

18.3 18.1 17.3 15.9 13.8 10.5 3.3 97.2

La cinta central es común a dos cuadrantes. La mínima longitud total de cinta anódica requerida para una cobertura apropiada del fondo del tanque es: L = 4 x (97.2 m -18.3 m) + 2 x 18.3 m = 352 m Selección del Material Anódico Los ánodos de sacrificio podrían funcionar en este tipo de sistema de protección catódica. También puede considerarse el uso de ánodos de mixed metal oxide con rectificador. Consideremos primero los ánodos de sacrificio. Los siguientes datos corresponden a un ánodo tipo cinta de magnesio de alto potencial:

Aleación Capacidad

Magnesio (de alto potencial) 1,100 amperios-hora por kilogramo (500 A hr/lb.)

Velocidad de consumo Dimensiones de la cinta

8.0 kilogramos (17.6 libras) por amperio-año 0.94 cm (0.37 pulg.) por 1.9 cm (0.75 pulg.)

Peso

0.36 kg por metro (0.24 lb./pie)

Calcule el peso de magnesio requerido para suministrar 10.5 amperios de corriente durante 40 años. W = tICr

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donde: W t I Cr

= peso de metal (kg.) = tiempo (40 año) = corriente requerida (10.5A.) = velocidad de consumo (8kg/A-año)

W = 40 años x 10.5 A x 8.0 kg/A-año = 3,360 kg (7,390 libras) La longitud de cinta requerida está dada por la ecuación: L = WT/ w donde: L WT w

= longitud de cinta requerida (m) = peso total (3,360 kg.) = peso/metro de cinta anódica (0.36kg/m)

L = 3,360 kg / 0.36 kg/m = 9,333 m (30,600 pies) A $3.75 por metro (1999), el material anódico costaría $35,000. Consideremos ahora la cinta de zinc. A continuación se dan las características del zinc: Aleación Capacidad Velocidad de consumo Dimensión de la cinta Peso por metro

- zinc - 738 amperios-hora por kg (335 A-hr/lb.) - 11.9 kg/A-año) (26 lb./A-año) - 2.5 cm (1 in)x3.2 cm (1.25 in) - 3.57 kg/m (2.4 libras/pie)

El peso total de zinc requerido para drenar 10.5 amperios durante 40 años es: W = tICr donde: W t I Cr

= peso del metal (kg.) = tiempo (40 años) = corriente requerida (10.5A.) = velocidad de consumo (11.9kg/Aaño) (26 libras/A-año)

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W

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= 40 años x 10.5 A x 11.9 kg/A-año = 4,998 kg.

La longitud de cinta requerida estaría dada por la siguiente ecuación: L = WT/w donde: L WT w

= longitud de cinta requerida (m) = peso total (4,998 kg.) = peso por metro de cinta anódica (3.57kg/m)

L = 4,998 kg / 3.57 kg/m = 1,400m (4,592 pies) A $28.00 por metro (1999), el material anódico costaría $39,200. Consideremos ahora el ánodo de mixed metal oxide recubierto de titanio. Sus propiedades son: Capacidad Dimensión

0.016 A/m (5 mA/pie) durante una vida útil de 40 – 50 años 0.64 cm x 0.064 cm (0.25in x 0.025in)

La longitud total de cinta requerida para drenar 10.5 amperios de corriente se obtiene con la siguiente ecuación: L = I/Ca donde: L I Ca

= longitud de cinta requerida (m) = corriente total (10.5A.) = capacidad (0.016A./m)

L = 10.5 A / 0.016 A/m = 656.3m (2,153 pies). Como la longitud necesaria es de alrededor de 1.9 veces la requerida para una configuración mínima que asegure una buena distribución de la corriente, es preciso reducir la separación entre cintas de 3m a un valor menor. Por ensayo y error, 1.6m da aproximadamente el espaciamiento necesario para un ánodo de 656 m de largo.

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Tabla 6.2 Longitudes de Cintas Anódicas x(m) 0 1.6 3.2 4.8 6.4 8.0 9.6 11.2 12.8 14.4 16.0 17.6 TOTAL

y(m) 18.3 18.2 18.0 17.7 17.1 16.5 15.6 14.5 13.1 11.3 8.9 5.0 174.2

Esto da una longitud de cinta total de: L = 4 x (174.2 m - 18.3 m) + 2 x 18.3 m = 660.2 m (2,165 pies) En el caso de las cintas de mixed metal oxide, es preciso colocar varillas conectoras que crucen el entramado anódico, para lograr continuidad eléctrica minimizando la atenuación. La cinta elegida para este diseño tiene una sección transversal de alrededor de 0.04 cm2. El ASM “Metals Handbook”2 ofrece una lista de resistividades; la del titanio puro disponible comercialmente es de 4.2 x 10-7 a 5.2 x 10-7 ohm-cm. Las aleaciones pueden variar. Si usamos el valor de 42 x 10-6 ohm-cm, la resistencia por metro de cinta es: R = ρL/Ax

2

ASM Vol. 2, 10th Ed., “Metals Handbook”, 1990, p620

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donde: ρ L A R

= resistividad del titanio (42 x 10-6 ohm-cm) = longitud de la cinta anódica (100cm por metro) = superficie de la sección transversal de la cinta de titanio (0.04cm2) = resistencia lineal de la cinta (ohmios)

R = 42 x 10-6 ohm-cm x 100 cm / 0.04 cm2 = 0.105 ohm por m Puede hacerse una estimación de la resistencia del ánodo al fondo del tanque. Lamentablemente, la presencia de la membrana dieléctrica, la disposición paralela de las cintas anódicas y la proximidad de la malla anódica al fondo del tanque complican esta estimación. Suponiendo que la longitud promedio de la cinta anódica es de: Lavg = 660 m / 23 = 28.7 metros Usando la fórmula de Dwight modificada:

R= donde: R ρ L d h R

2h ⎞ 0.005 ρ ⎛ ⎛ 4L ⎞ ⎛L⎞ ⎜⎜ ln⎜ ⎟ + ln⎜ ⎟ − 2 + ⎟⎟ πL ⎝ ⎝ d ⎠ L h ⎝ ⎠ ⎠ = resistencia de una cinta anódica promedio (ohmios) = resistividad (suponiendo 10,000 ohm-cm) = longitud promedio de cinta (28.7m) = diámetro de la cinta (aproximadamente 1.4/π = 0.0045m) = profundidad de la cinta (1m) = 0.555 Ω (10.15 + 3.36 - 2 + 0.07) = 6.42 ohmios/cinta

Una cinta promedio tendría entonces una resistencia de 6.42 ohmios, o: RT = 6.42 Ω/cinta / 23 cintas = 0.28 ohmios para las 23 cintas en paralelo (despreciando los efectos de interferencia mutua). También se puede estimar la resistencia pensando en la sección transversal de una cinta que “mira” hacia una franja del fondo del tanque de 160 centímetros (1.6 metros) de ancho.

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La Figura 6.6 ilustra este enfoque. Considere una franja de 1.6 m de ancho sobre la plancha inferior del tanque, con uno de los ánodos en el vértice de un prisma triangular de arena de 10,000 ohm-cm. La corriente circula desde la cinta

(0.0064m de ancho) atravesando superficies de arena cada vez mayores. La resistencia es proporcional a la resistividad y a la longitud del paso que atraviesa la corriente, e inversamente proporcional a la superficie de la sección transversal. Podemos desarrollar una fórmula para la resistencia de una única cinta anódica. Suponiendo que w
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