CRITERIOS DE DISEÑO PROTECCIÓN CATÓDICA

MANUAL DE INGENIERIA DE DISEÑO Sistemas de Protección Catódica

PDVSA HA-201

REVISION FECHA 1 JUN.04 Página 1

ÍNDICE 1 2 3 4 5

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10 11 12 13 14 15

16 17 18

OBJETIVO ALCANCE REFERENCIAS DEFINICIONES PRINCIP PRI NCIPIOS IOS Y R REQUE EQUERIMI RIMIENTO ENTOS SD DE E PROTE PROTECCIÓ CCIÓN NC CATÓD ATÓDICA ICA 5.1 5.1 Prot Protec ecci ción ón Cat Catódic ódicaa 5.2 Requerimientos 5.3 5.3 Crit Criter erio ioss de Prot Protec ecci ción ón Cató Catódic dicaa 5.4 Revestimientos BASES DE DISEÑO 6.1 Medici Medicione oness e Invest Investiga igacion ciones es Prelim Preliminar inares es al Dise Diseño ño 6.2 6.2 Efec Efecto toss de de Int Inter erfe fere renc ncia ia Eléc Eléctr tric icaa PROTE PR OTECC CCIÓN IÓN CAT CATÓDI ÓDICA CA POR POR ÁNOD ÁNODOS OS DE DE SA SACR CRIFI IFICIO CIO 7.1 General 7.2 7.2 Aplic Aplicac acion iones es de de los los Ánod Ánodos os de de Sacr Sacrifific icio io 7.3 7.3 Mate ateria rial de de lo los Án Ánodo odos PROTE PR OTECC CCIÓN IÓN CAT CATÓDI ÓDICA CA POR POR CORR CORRIEN IENTE TE IMPRE IMPRESA SA 8.1 General 8.2 8.2 Fuen Fuente tess de Corr Corrie ient ntee 8.3 8.3 Mate ateria rial de de lo los Án Ánodo odos CÁLC LCU ULOS LOS DE DISEÑO 9.1 Ánodos Ga Galvá lvánicos 9.2 Corrient ientee Im Impresa AISLAM AIS LAMIEN IENTO TO ELÉC ELÉCTRI TRICO CO 10.1 Sistema Sistema de Protección Protección de los los Accesori Accesorios os Aislador Aisladores es INTERFER INTERFERENCI ENCIAS AS ELÉCTRIC ELÉCTRICAS AS UBICACIÓ UBIC ACIÓN N DE LOS SISTEMA SISTEMAS S DE MONITORE MONITOREO O DE SPC PROTECC PROTECCIÓN IÓN DE DE TUBERÍAS TUBERÍAS ENT ENTERRA ERRADAS DAS PROTECCIÓN PROTECCIÓN DE DE TUBERÍAS TUBERÍAS O ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS SUMERGIDAS SUMERGIDAS PROTECC PROTECCIÓN IÓN DE TANQU TANQUES ES DE ALMACE ALMACENAMI NAMIENTO ENTO 15.1 15.1 Prot Protec ecci ción ón Inte Intern rnaa 15.2 15.2 Prot Protec ecci ción ón Exter Externa na PROTECC PROTECCIÓN IÓN DE MUELL MUELLES ES Y PILOTES PILOTES PROTECC PROTECCIÓN IÓN DE EMBARCA EMBARCACION CIONES ES PROTECC PROTECCIÓN IÓN DE INTERC INTERCAMBI AMBIADOR ADORES ES DE CALOR CALOR 18.1 18.1 Cajas Cajas Enfr Enfriad iadora orass (Box (Box Coole Coolers) rs)


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19 20

21 22 23 24

18.2 18.2 Interc Intercamb ambiad iadore oress de Calor Calor de Carcas Carcasaa y Tubo PROTECC PROTECCIÓN IÓN DE C CASIN ASING G DE POZOS POZOS SEGU SE GURI RIDA DAD D 20.1 20.1 Segu Seguri rida dadd Indu Indust stri rial al 20.2 20.2 Prot Protec ecci ción ón de de Acti Activo voss CONSIDER CONSIDERACIO ACIONES NES ECONÓMI ECONÓMICAS CAS REGISTR ISTROS OS BIBL BIBLIO IOGR GRAF AFÍA ÍA ANEXOS


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1 OBJETIVO Establecer una guía para el diseño de un sistema de protección catódica y homologar los criterios y procedimientos mínimos para el diseño de los mismos a nivel corporativo.

2 ALCANCE Este documento establece los principios básicos para el control de la corrosión de estructuras metálicas enterradas o sumergidas, mediante el uso de protección catódica, y a su vez describe los requerimientos y procedimientos mínimos necesarios para el diseño de los sistemas.

3 REFERENCIAS 4 DEFINICI CIO ONES 4.1 Aislamiento Aislamiento Eléctrico Describe la condición de estar eléctricamente aislado de otra estructura metálica, mediante el uso de empacaduras, juntas aislantes y otros dispositivos.

4.2Ánodo Electrodo de una celda electrolítica en el que se produce la oxidación o corrosión.

4.3 Ánodo Galvánico/Ánodo de Sacrificio Sacrificio Metal que, debido a su ubicación relativa en la serie electromotriz, suministra corriente directa de protección a metales que son más nobles en dicha serie, cuando ambos están acoplad acoplados os en el electr electrolit olitoo y eléctr eléctricam icament ente. e. Estos Estos ánodos ánodos consti constituy tuyen en la fuente fuente de corriente en la protección catódica por ánodos galvánicos.

4.4 Bacterias Sulfatoreductoras Grupo de bacterias presentes en suelos y aguas naturales, pero activas solamente en cond condic icion iones es anae anaeró róbi bica cass y de pH cerc cercaa del del neut neutro ro.. Esta Estass bact bacter erias ias aume aument ntan an el requerimiento de potencial de protección debido a la despolarización resultante de la producción de sulfuros.

4.5 Juntas Aislantes Aislantes Accesorio Accesorio constituido constituido de un material material aislante que se intercala intercala entre estructura estructurass metálicas metálicas para separarlas eléctricamente. Estas incluyen bridas aislantes y juntas monolíticas.


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4.6 Caída Caída IR Voltaje a través de una resistencia de acuerdo con la Ley de Ohm.

4.7Cátodo Electrodo de una celda electrolítica en el que se produce la reacción de reducción y prácticamente no sufre corrosión.


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4.8 Corriente Impresa Corriente directa suministrada por una fuente de poder externa al componente anódico. Entre las fuentes de poder típicas, tenemos: rectificadores, módulos solares, generadores de motores eléctricos, baterías y molinos de viento (energía eólica).

4.9 Corrosión Deterioro de un metal, o de sus propiedades, debido a su reacción electroquímica con el medio ambiente.

4.10 Densidad de Corriente Corriente directa que circula hacia o desde la superficie de un electrodo por unidad de área, generalmente expresada como A/m2 o mA/m2, mA/ft2. La densidad de corriente óptima para obtener protección catódica varía dependiendo del ambiente y de la estructura a ser protegida.

4.11 Electrodo de Cobre/Sulfato de Cobre Electrodo de referencia muy estable, utilizado para medir niveles de protección catódica de un metal. Está formado por una barra de cobre de alta pureza, en contacto eléctrico con una solución saturada de sulfato de cobre.

Conexión para Instrumento de Medición

Metal

Solución

Tapón de Material Poroso

Figura 1. Celda de Referencia


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4.12 Electrodo de Referencia Media celda reversible con potencial de circuito abierto constante bajo condiciones similares de medida que se puede utilizar en forma permanente o portátil. Se utiliza para medir potenciales metal/electrolito, siendo los más comunes los electrodos de cobre/sulfato de cobre, plata/cloruro de plata y cinc.

4.13 Electrolito Medio en el cual se encuentran el ánodo y el cátodo. Sustancia química o mezcla, usualmente líquida o sólida, que contiene iones que migran en un campo eléctrico. Para efectos de este manual, el término electrolito se refiere al suelo o líquido adyacente y en contacto con la estructura metálica enterrada o sumergida, incluyendo humedad, sales y otros químicos contenidos en él.

4.14 Estación de Prueba (Punto de Medición) Dispositivo superficial al cual llegan uno o más cables soldados a la estructura. Se instalan en la trayectoria de la estructura con la finalidad de obtener mediciones de potencial para evaluar el nivel de protección, patrones de interferencia y drenaje de corriente de las estructuras.

4.15 Interconexión Conductor eléctrico, usualmente de cobre, utilizado para interconectar estructuras diferentes, a fin de evitar cambios apreciables en el potencial de un punto con respecto al otro o nivelarlos.

4.16 Interferencia Efecto adverso causado sobre estructuras no conectadas a los sistemas de protección catódica por corriente impresa, generando corrosión acelerada de las mismas.

4.17 Lecho de Ánodos Profundos Grupo de ánodos instalados en un hoyo vertical, cuya profundidad es mayor a 20 m. Los objetivos que se persiguen con este tipo de lecho son obtener baja resistencia en el sistema, distribuir uniformemente la corriente y minimizar la interferencia eléctrica anódica.

4.18 Lecho de Ánodos Superficial Grupo de ánodos instalados en un hoyo horizontal, vertical o direccional, cuya profundidad es menor a 20 m.

4.19 Potencial Natural


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Potencial espontáneo (sin impresión de corriente eléctrica directa) que adquiere una estructura metálica al estar en contacto con un electrolito, también denominado potencial de corrosión.

4.20 Potencial OFF (Potencial polarizado) Suma del potencial de corrosión y la polarización catódica medido inmediatamente después de haber interrumpido el flujo de corriente (descartando la caída IR).

4.21 Potencial ON Potencial medido con la corriente de protección aplicada. Representa la suma de todas las caídas de potencial del circuito de medición.

4.22 Potencial de Protección Potencial mínimo requerido para que una estructura metálica esté protegida catódicamente.

4.23 Protección Catódica Técnica mediante la cual se controla la corrosión de superficies metálicas inmersas en un medio conductivo o electrolítico, alterando el potencial natural del metal hacia valores catódicos por medio de la aplicación de corrientes impresas o galvánicas.

4.24 Recubrimiento/Revestimiento Material que se aplica sobre la superficie de un metal para aislarlo del medio ambiente o del electrolito.

4.25 Revestimiento + Protección Catódica Combinación ideal (costo/calidad) para controlar la corrosión en estructuras metálicas enterradas o sumergidas.

4.26 Relleno o Backfill Material absorbedor de humedad, de baja resistencia eléctrica, que rodea al ánodo enterrado, utilizado con el propósito de incrementar el área efectiva de contacto con el suelo, y por lo tanto, reducir la resistencia de contacto con el mismo.

4.27 Sobreprotección Término utilizado cuando el potencial de protección causa pérdidas de energía, desgaste prematuro de los ánodos, desprendimiento del revestimiento y en algunos casos la fragilidad de la estructura por penetración de hidrógeno.


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5 PRINCIPIOS CATÓDICA

Y

REQUERIMIENTOS

DE

PROTECCIÓN

5.1 Protección Catódica Todas las estructuras metálicas enterradas o sumergidas están sujetas a corrosión, por lo cual deben adoptarse procedimientos adecuados para el control de la misma y asegurar la integridad mecánica para una operación segura y económica. La protección catódica, es una técnica de control de corrosión, la cual tiene como fundamento la polarización, a potenciales más negativos, de cualquier superficie metálica hasta alcanzar un grado de polarización, en el cual se acepta que dicha superficie metálica es inmune a la corrosión. Esta polarización se alcanza mediante el empleo de una fuente externa. Existen dos métodos diferentes para lograr la protección catódica; el primero, conectando la superficie metálica que se trata de proteger a un metal menos noble que ésta, es decir, más negativo en la serie electroquímica, este procedimiento es conocido como sistema de protección catódica por ánodos galvánicos, ya que se forma una pila galvánica. El segundo, es denominado, sistema de protección catódica por corriente impresa, el cual consiste en conectar un conjunto de ánodos a la superficie metálica por medio de una fuente de energía externa, obligando a drenar corriente entre la superficie a proteger y el conjunto de ánodos alcanzando los potenciales de protección.


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5.2 Requerimientos 5.2.1

Los controles de corrosión externa deben ser considerados durante el diseño del sistema (estructura) y de las primeras defensas contra la corrosión externa deben ser los revestimientos y la selección de materiales. Los revestimientos perfectos no son posibles por lo cual la protección catódica debe combinarse con éstos.

5.2.2

Se instalará un sistema de protección catódica para toda estructura enterrada o sumergida a fin de contrarrestar la corrosión que podría ocasionar fallas estructurales. Así mismo, se desarrollarán los procedimientos de monitoreo para determinar si se ha obtenido una protección catódica adecuada.

5.2.3

Todas las estructuras de acero, enterradas o sumergidas, deben contar con un sistema de protección catódica permanente en un plazo no mayor a un año posterior a la finalización de su construcción. En el caso que ya exista el sistema de protección catódica, la nueva estructura se conectará al mismo, si éste tuviese la capacidad adecuada o se puede adecuar ampliándolo.

5.2.4

Los planos de ingeniería deberán definir claramente la ubicación del equipo de protección catódica incorporado en la tubería, así como la ubicación de otras instalaciones o estructuras, bien sean a la vista o enterradas, que pudiesen afectar o ser afectadas por el sistema de protección catódica. El diseño del sistema se hará para el tiempo de vida útil de la instalación.

5.2.5

El sistema de protección catódica seleccionado deberá ser diseñado de forma tal que se evite cualquier efecto corrosivo adverso en estructuras cercanas (equipos, tuberías, cables, etc.)

5.2.6

Los materiales y equipos cumplirán con las normas citadas o serán aprobados por el ingeniero del proyecto para los requerimientos especiales. Cuando se requiera, se suministrará al ingeniero del proyecto un grupo de materiales de muestra para ensayos destructivos, para la inspección de control de calidad y su respectiva aprobación antes de que se envíen los materiales. Se incluirá una copia de los resultados del ensayo, junto con la muestra. Cualquier otro equipo estará sujeto a una inspección de aceptación por parte del ingeniero del proyecto.

5.2.7

La aplicación de esta norma debe estar bajo la dirección de especialistas designados por PDVSA, quienes por conocimiento de los principios físicos, matemáticos y de ingeniería, adquiridos por educación y experiencia práctica relacionada, estén capacitados para dedicarse a la práctica de control de corrosión de estructuras metálicas enterradas o sumergidas.


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5.3 Criterios de Protección Catódica Debido a que, a diversos niveles de polarización catódica se puede controlar la corrosión externa en estructuras de acero enterradas o sumergidas en un medio eléctricamente conductor, se recomienda tomar en cuenta los siguientes criterios de protección: 5.3.1

Criterio del Potencial Mínimo: El valor mínimo de polarización catódica para controlar la corrosión es de –850 mV. Este valor es medido respecto al electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre (Cu/CuSO4) en contacto con el electrolito, con la protección catódica aplicada (Potencial ON).

5.3.2

Para medios anaeróbicos o condiciones especiales, puede requerirse un valor más negativo. Tal es el caso de medios con bacterias sulfatoreductoras, en los que se requiere un potencial mínimo de –950 mV con respecto al electrodo de Cu/CuSO4.

5.3.3

Criterio del Cambio de Potencial: La diferencia de los potenciales de referencia medidos en OFF y Natural de la estructura debe ser como mínimo de -100 mV.

5.5.4

Criterio –850 mV Polarizado (Potencial OFF): cuando existe un potencial polarizado negativo de al menos 850 mV con respecto al electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre en contacto con el electrolito.

5.4 Revestimientos La corrosión pudiera prevenirse cubriendo la totalidad de la estructura enterrada o sumergida con un recubrimiento impermeable no conductivo, lo cual sería ideal, pero casi imposible de llevar a cabo a un costo razonable. En general los recubrimientos sufren daños en el transporte al sitio de instalación. En suelos corrosivos, la más pequeña discontinuidad del revestimiento protector puede redundar en corrosión local severa. Prácticamente, todo tipo de revestimiento desarrolla imperfecciones, y se produce corrosión en las pequeñas áreas de metal expuesto donde se rompe la barrera de aislamiento. El revestimiento es una herramienta muy efectiva en el control de la corrosión, y cuando se utiliza junto con la protección catódica, se puede obtener un control completo con un mínimo de corriente aplicada. Los revestimientos casi nunca son afectados por la aplicación correcta de la protección catódica; sin embargo, potenciales muy negativos, con referencia al electrodo de Cu/CuSO4 pueden dañar el revestimiento causando evolución de hidrógeno en la superficie del metal. La Tabla 1 muestra los límites de potencial ON recomendados, en el punto de inyección (PD), para estructuras enterradas/sumergidas, para evitar el desprendimiento del revestimiento por exceso de corriente de protección catódica.


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Tabla 1 - Límites de potencial ON recomendados, en el punto de inyección, para estructuras enterradas/sumergidas (referidos al electrodo de cobre/sulfato de cobre) Tipo de revestimiento Resina epóxica en polvo, aplicada por fusión electrostática Esmalte asfáltico Alquitrán de hulla Polietileno Cinta adhesiva

Potencial (V) vs Cu/CuSO4 -1.5 -2.0 -1.5 -1.0 -1.5

FUENTE:

6 BASES DE DISEÑO El diseño de un sistema de protección catódica deberá basarse en información obtenida de la inspección de instalaciones similares, en ambientes similares y/o de un estudio detallado de las condiciones en sitio. Las condiciones a determinar en sitio son: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l)

Resistividad, pH y composición química del medio Continuidad eléctrica de la estructura Proximidad de otras estructuras Potenciales de Referencia de estructuras adyacentes Disponibilidad de energía eléctrica Condición y tipo de revestimiento Facilidad de acceso para construcción y mantenimiento Clasificación de áreas Seguridad en sitio de los equipos en cuanto a hurto Planos y especificaciones de construcción Tiempo de vida útil de la estructura (activa) Histórico de inspecciones de tuberías o estructuras adyacentes

El diseño de un sistema de protección catódica debe considerar los aspectos antes mencionados u otros que no permitan interferencia a las estructuras adyacentes. El diseño de un sistema de protección catódica no deberá contemplar la instalación en áreas peligrosas de equipos de suministro de energía eléctrica, cajas de conexiones, etc., cuando sea posible. Cuando la instalación deba realizarse en este tipo de áreas clasificadas, se deberán utilizar los materiales correspondientes especificados para tal fin (ver Tabla 2). Tabla 2 – Manuales de Especificaciones Técnicas de Materiales - PDVSA


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Código EM-22-01/01 EM-22-05/01 EM-24-11/01 EM-28-07/01 EM-28-07/02 EM-28-07/03 EM-28-07/04 EM-28-07/05 EM-01-00/01 EM-01-01/03 EM-01-01/04 EM-01-01/05 EM-01-01/06 EM-01-01/07 EM-01-01/08 EM-01-01/09 EM-01-01/10 EM-01-01/11 EM-01-01/16 EM-01-01/17 EM-01-01/18 EM-01-01/19

Título ALAMBRES Y CABLES MONOPOLARES AISLADOS CON TERMOPLASTICOS PARA 600V CABLES PARA INSTRUMENTACION Y CONTROL CAJAS Y ACCESORIOS PARA INSTALACIONES ELECTRICAS DE USO EN LUGARES (CLASIFICADOS) PELIGROSOS ANODOS DE ALUMINIO (AL) PARA PROTECCION CATODICA ANODOS DE MAGNESIO (MG) PARA PROTECCION CATODICA COQUE METALURGICO PARA USO EN LECHOS DE ANODOS PARA SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA CON CORRIENTE IMPRESA ANODOS DE HIERRO-SILICIO Y HIERRO - SILICIO - CROMO PARA PROTECCION CATODICA POR CORRIENTE IMPRESA TRANSFORMADOR / RECTIFICADOR DE PROTECCION CATODICA RESINA EPOXICA EN POLVO PARA TUBERIA METALICA REVESTIMIENTO INTERNO CON EPOXI ADUCTO AMINA PARA TANQUES Y TUBERIAS REVESTIMIENTO DE ZINC SOBRE PRODUCTOS DE HIERRO Y ACERO REVESTIMIENTO INTERNO DE EQUIPOS CON PLASTICO REFORZADOS CON FIBRA DE VIDRIO (PRFV) RESINA POLIESTER ISOFTALICA PARA EL REVESTIMIENTO Y FABRICACION DE TANQUES Y TUBERIAS RESINA POLIESTER BIFENOLICA PARA EL REVESTIMIENTO Y FABRICACION DE TANQUES Y TUBERIAS RESINA EPOXI POLIAMIDA PARA EL REVESTIMIENTO Y FABRICACION DE TANQUES Y TUBERIAS RESINA FURANICA PARA EL REVESTIMIENTO Y FABRICACION DE TANQUES Y TUBERIAS RESINA VINIL ESTER PARA EL REVESTIMIENTO Y FABRICACION DE TANQUES Y TUBERIAS FIBRA DE VIDRIO PARA EL REVESTIMIENTO Y FABRICACION DE TANQUES Y TUBERIAS SISTEMA MULTICAPA EPOXI-POLIOLEFINA REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA A ALTAS TEMPERATURAS RESINA EPOXICA EN POLVO PARA REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA, A ALTAS TEMPERATURAS CINTAS DE POLIOLEFINAS PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA A ALTAS TEMPERATURAS RESINA EPOXICA REFORZADA CON FIBRA DE VIDRIO PARA REVESTIMIENTO EXTERNO DE TUBERIA METALICA A ALTAS


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EM-01-02/01 EM-01-02/02 EM-01-02/03 EM-02-11/01 EM-04-02/01 EM-04-05/01 EM-04-05/02 EM-04-10/01 EM-04-11/01 EM-04-11/02 EM-04-13/01

TEMPERATURAS BREA EPOXICA (COALTAR EPOXY) CURADA CON POLIAMIDA PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA BREA EPOXICA (COAL TAR EPOXY) CURADA CON AMINA PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA BREA EPOXICA (COAL TAR EPOXY) CURADA CON ADUCTOAMINA PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA ACEITES MINERALES AISLANTES CON INHIBIDOR DE OXIDACION PARA USO EN TRANSFORMADORES E INTERRUPTORES MORTERO DE CEMENTO PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD EXTRUIDO PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA POLIPROPILENO EXTRUIDO PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA CINTAS DE POLIETILENO APLICADAS EN FRIO Y/O EN CALIENTE PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA MANGAS TERMOCONTRACTILES PARA PROTECCION DE JUNTAS Y/O REPARACIONES DE REVESTIMIENTOS DE TUBERIA METALICA MANGAS TERMOCONTRACTILES PARA PROTECCION DE JUNTAS Y/O REPARACIONES DE REVESTIMIENTOS DE TUBERIA METALICA A ALTAS TEMPERATURAS CAUCHO POLICLOROPRENO (NEOPRENO) PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA

FUENTE: Manuales de Especificaciones Técnicas de Materiales www.intevep.pdv.com/santp Todas las estructuras enterradas o sumergidas en un corredor deberán tener un sistema de protección catódica integrado, cualquiera sea el tipo de revestimiento de las estructuras existentes. Se podrá utilizar la capacidad disponible de los sistemas de protección catódica existentes, siempre y cuando su desempeño no sea afectado en forma adversa. Se requieren consideraciones especiales de diseño para tuberías enterradas dentro del área de plantas, refinerías, etc. Lechos de ánodos galvánicos o inertes, distribuidos, deberán instalarse en estas áreas para complementar la protección. Se deberán instalar puntos de prueba adicionales para monitorear los niveles de protección de estas secciones de tubería.


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6.1

Mediciones e Investigaciones Preliminares al Diseño La adecuada recopilación de datos en campo es obligatoria. Además de la medición eléctrica, la información incluirá fechas, estado del tiempo, descripción y condición del terreno, vías de acceso, fuentes potenciales de energía eléctrica, ubicación adecuada para lechos de ánodos o ánodos de sacrificio, seguridad, así como cualquier otra información pertinente. Los datos obtenidos en las mediciones indicarán también la ubicación de todas las estructuras enterradas o sumergidas adyacentes a la obra, la condición de las superficies metálicas expuestas y la calidad del aislamiento del revestimiento en dichas estructuras. Los sitios posibles de ubicación detallada de los sistemas de protección catódica, serán localizados con mediciones detalladas tomando como referencia puntos fijos establecidos usando el método de triangulación. El especialista preparará un diseño detallado del sistema de protección propuesto, el cual tomará en consideración las siguientes proposiciones: a) Estará basado en una continua operación del sistema para la vida útil especificada en el diseño de la estructura o equipo a ser protegido. b) Considerará los requerimientos para la instalación de cualquier interconexión necesaria entre estructuras que puedan estar sujetas a interferencia catódica. c) Incluirá detalles para la puesta en marcha del sistema, el diseño y la ubicación de bridas con aislamiento y puntos de medición.

6.1.1

Caracterización del Medio Para el diseño de sistemas de protección catódica de estructuras enterradas o sumergidas es importante la realización de mediciones de campo que permitan la caracterización del medio, para así evaluar la factibilidad de instalar un sistema de protección catódica. La resistividad del electrolito representa la investigación preliminar más importante al momento de diseñar un sistema de protección catódica. En suelos la resistividad puede variar con el contenido de agua y sales disueltos en estos y por lo tanto, se ve influenciada por las lluvias. Aún cuando la resistividad sola no indica la corrosividad de un medio, existe cierta relación entre las dos propiedades, como se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3 - Clasificación del medio electrolito de acuerdo con su resistividad Resistividad del medio (ohm-cm)

Corrosividad


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Menos de 500

Muy corrosivo

Entre 500 y 1.000

Corrosivo

Entre 1.000 y 2.000

Moderadamente Corrosivo

Entre 2.000 y 10.000

Ligeramente Corrosivo

Mayores a 10.000

Progresivamente menos corrosivo

FUENTE: API RP 651

La medición de la resistividad del suelo se realizará utilizando el método de los cuatro electrodos (método de Wenner), según procedimiento especificado en la norma ASTM G 57. Donde se requieran mediciones de la resistividad a lo largo de la tubería, éstas se harán a intervalos máximos de 1 Km (o menos cuando las condiciones del suelo cambien), utilizando una separación entre electrodos equivalente a la profundidad de la estructura o a la profundidad requerida. Se tomarán lecturas de resistividad en las ubicaciones propuestas para los lechos de ánodos a fin de elaborar mapas de contornos para cada una de ellas. Las lecturas de resistividad serán corregidas para considerar condiciones más críticas, es decir, en época de verano. Cuando se presenten factores que puedan alterar las características del medio, se tomarán muestras del suelo para determinar características adicionales del mismo, tales como sales solubles, contenido de humedad, pH, etc. Se determinará el contenido de sulfatos a fin de detectar la presencia de bacterias Sulfatoreductoras.

6.1.2

Pruebas de Drenaje de Corriente Se obtendrán parámetros de diseño completos al instalar un sistema de protección temporal, el cual permitirá medir la cantidad de corriente requerida para proteger adecuadamente una estructura enterrada o sumergida. El sistema de protección catódica temporal estará conformado por:

a)

Un lecho de ánodos temporal , el cual estará ubicado en el lugar

seleccionado para la instalación permanente propuesta. Este lecho temporal estará constituido por tubería de desecho, estructuras metálicas enterradas o sumergidas


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abandonadas, etc. El cableado temporal, necesario para conectar los lechos de ánodos, tendrá aislamiento suficiente para prevenir fugas de corriente no controladas y garantizar la seguridad del personal. A su vez, se deberá contar con un interruptor adecuado para llevar a cabo de forma eficiente y eficaz las pruebas de drenaje de corriente.

b)

Una fuente de energía temporal , la cual consistirá de generadores

impulsados por motores, acumuladores estacionarios, unidades de protección catódica existentes, rectificadores portátiles combinados con energía comercial disponible, etc. Este equipo suministrará una corriente directa constante, bien regulada, de una tensión e intensidad en las magnitudes requeridas durante el ensayo. Una vez que el sistema se ha estabilizado en los niveles de protección requeridos, se harán mediciones del drenaje de corriente del sistema temporal y se considerará la resistencia total del circuito de inyección de –1000 mV con respecto a Cu/CuSO4, esto para cálculo de diseño. La Tabla 4 indica un estimado de las densidades de corriente mínimas requeridas para la protección catódica de acero desnudo en diferentes medios, a temperatura ambiente de 15 a 25 °C.


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Tabla 4 - Densidades de corriente requeridas para protección catódica de acero desnudo en diversos medios (@ Tambiente= 15 a 25 °C) Densidad de Corriente

Medio

(mA/m2)

Suelos *

10 a 30 (1)

Suelos neutro o estéril **

5 a 17

Suelo aereado y seco **

5 a 17

Suelo húmedo

28 a 66

Suelo muy ácido

56 a 170

Suelo con baterías

450

Agua Dulce y Zonas Fangosas ***

11 a 32

Agua Dulce estancada **

56

Agua Dulce en movimiento **

56 a 66

Agua Dulce, turbulenta **

56 a 170

Agua Salada *

50 a 80

Agua Salada en movimiento *

100 a 150

Lago de Maracaibo *

50 a 100

Plataforma Continental Venezolana 80 (agua) * Plataforma Continental Venezolana 30 (barro) *

* ** ***

FUENTE: Manual de Protección Catódica: Diseño y Aplicaciones. Jorge Goldin. www.biblioteca.redescolar.ilce.edu.mx. Ciencias química. “Más allá de la herrumbre II". Cathodic Protection Manual. Royal Dutch / Shell Group: (1) En suelos anaeróbicos, transcurren algunos meses antes de que se verifique la polarización completa. (2) Los valores dependen de la velocidad del agua. Las densidades de corriente mínimas para la protección catódica de estructuras metálicas revestidas se especifican en la Tabla 5.


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Tabla 5 - Densidades de corriente requeridas para protección catódica de estructuras metálicas revestidas Tipo de Revestimiento

Densidad de Corriente (mA/m2)

Cinta

1.25

Resina Epóxica en polvo

0.10

Polietileno Extruido

0.10

Brea Epoxy (Coal Tar)

0.75

FUENTE: Manual de Ingeniería de Diseño de Sistemas de Protección Catódica de estructuras enterradas/sumergidas, PDVSA Occidente, 1998 (RP-PC-001-98) Cuando no pueda ser determinada a través de una prueba de drenaje de corriente, la selección final de los requerimientos de corriente será una combinación de los factores indicados anteriormente. Para estructuras revestidas, es necesario estimar la superficie total sobre la cual el revestimiento no es efectivo (% de área desnuda) y en base a ésta, determinar los requerimientos de corriente. La Tabla 6 muestra valores de eficiencia del revestimiento, que deben ser considerados para determinar la superficie total a proteger.

Tabla 6 - Eficiencia del Revestimiento Años de servicio de la instalación

Deterioro del revestimiento (%)

0

1.01

1

1.16

2

1.32

3

1.51

4

1.73

5

1.98

6

2.27

7

2.60

8

2.97

9

3.40


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10

3.89

11

4.45

12

5.09

13

5.82

14

6.66

15

7.63

16

8.73

17

9.99

18

11.43

19

13.07

20

14.96

FUENTE: Manual de Ingeniería de Diseño de Sistemas de Protección Catódica de estructuras enterradas/sumergidas, PDVSA Occidente, 1998 (RP-PC-001-98)

6.1.3

Medición de Potenciales La medición de potencial entre la estructura y el medio electrolito se obtendrá en todos los terminales de medición, a ambos lados de las bridas o uniones con aislamiento, en los cruces con otras estructuras metálicas enterradas o sumergidas o cualquier estructura similar próxima a la estructura que esté siendo protegida; asimismo, en cualquier otro punto donde se considere necesario determinar la efectividad del sistema de protección catódica propuesto, y evitar la corrosión por corrientes de fuga a estructuras que no estén incluidas dentro del sistema de protección.

Todas las lecturas de potencial serán registradas con precisión de milivoltios (mV), utilizando instrumentos adecuados y electrodos de referencia de cobre/sulfato de cobre (Cu/CuSO 4) o plata/cloruro de plata (Ag/AgCl). Las lecturas de potencial serán tomadas a intervalos suficientes para prevenir la omisión de alguna zona no protegida, o en proceso de corrosión de la estructura a ser protegida. Las lecturas también se obtendrán para asegurar que el sistema de protección catódica que se está diseñando no ocasionará problemas de interferencia no controlables en otras estructuras. En áreas clasificadas peligrosas, tales como estaciones y patios de tanques, se tomarán


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lecturas adicionales necesarias que permitan detectar cualquier situación de peligro que pueda originarse de la instalación de la protección catódica. Para el diseño del sistema de protección catódica se realizarán las siguientes mediciones de potencial: a) Potencial Natural: se tomará el potencial de la estructura sin aplicación de corriente. Para ello se deben desconectar todos los sistemas de protección catódica que puedan estar ocasionado alguna influencia sobre la estructura bajo estudio y esperar un tiempo prudencial para que se produzca la despolarización de la estructura. b) Nivel Mínimo de Protección: utilizando el sistema de protección catódica temporal, se drenará suficiente corriente a fin de lograr la protección de toda la estructura, alcanzando los niveles mínimos aceptables aplicables para los criterios que sean utilizados. c) Nivel Máximo de Protección: una vez que se hayan determinado los niveles mínimos de corriente de protección, la salida de corriente del sistema de protección catódica temporal se incrementará hasta que se alcancen los niveles máximos de protección aceptables. En esta condición se medirá la atenuación de la protección a través de toda la estructura.

6.2

Efectos de Interferencia Eléctrica Las corrientes de interferencias (corrientes parásitas) asociadas con los problemas de corrosión son, como su nombre lo indica, corrientes directas que fluyen en la tierra desde una fuente asociada con la línea afectada. Para causar corrosión en la tubería, la corriente directa debe fluir desde una fuente externa hacia un área de la tubería, viajar a través de ésta hacia otra área y salir de la tubería para volver a entrar al medio (resultando en corrosión), completando el circuito al regresar a la fuente de poder original. Las corrientes de interferencia pueden ser estáticas o dinámicas. Las fuentes típicas de corrientes parásitas son: a) b) c) d)

Sistemas de protección catódica por corriente impresa Sistemas de transporte masivo operados por electricidad (trenes) Torres de alta tensión Corrientes telúricas

En ocasiones, las corrientes AC fluyen a la tierra de sistemas de distribución eléctrica, pudiendo convertirse en pequeños problemas de interferencia de menor grado. Los sistemas de protección catódica por corriente impresa pueden causar corrientes de interferencia en tuberías adyacentes dependiendo de la ubicación del lecho de ánodos, localización exacta de la tubería y las características operacionales del sistema.


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Cualquier acción que se tome para prevenir la entrada de corriente al electrolito disminuirá la posibilidad de que las corrientes parásitas afecten una estructura enterrada o sumergida, razón por la cual, la presencia de corrientes parásitas debe ser tomada en cuenta durante el diseño de los sistemas de protección catódica, así mismo, el diseño de instalaciones para protección catódica debe minimizar la interferencia con otras estructuras. En los puntos donde se presume puedan existir problemas de interferencia se dará revestimiento adecuado y/o aislamiento a fin de minimizar el flujo de estas corrientes. El diseño también debe considerar, cuando sea necesario, la instalación de puentes adecuados, entre las estructuras enterradas y/o sumergidas, a fin de prevenir el efecto corrosivo de las corrientes parásitas. Se deberán mantener registros o mapas actualizados para mostrar la localización de los sistemas de protección catódica propios y foráneos, las tuberías protegidas, las tuberías interconectadas, etc.; a fin de mantener un estricto control sobre la protección catódica de las estructuras correspondientes. Se deberán realizar pruebas y mediciones de potenciales en áreas donde se piense diseñar un sistema de protección catódica para verificar la posible presencia de corrientes de interferencia, para lo cual se podrá usar cualquiera o una combinación de los métodos de ensayo descritos en los puntos 6.2.1 al 6.2.4 de la presente norma. Algunos de los métodos utilizados para reducir o eliminar las interferencias por corrientes parásitas desde instalaciones de protección catódica, incluyen:


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6.2.1

Interconexiones Cuando se tiene que una tubería está siendo afectada por otra que tiene protección catódica, el método comúnmente usado para corregir esta situación consiste en conectar una resistencia entre las dos tuberías. Esta resistencia en la interconexión debe estar ajustada para que drene sólo la corriente suficiente desde la línea afectada para eliminar la condición de daño. Normalmente, esta operación es realizada en conjunto con el representante de la línea afectada o bajo su consentimiento, preferiblemente por escrito. El establecimiento exacto de cuando ha sido eliminado el efecto de las corrientes de interferencia es crítico. Para determinarlo, la conexión se ajusta con el interruptor de corriente en el rectificador de la línea que causa la interferencia con un voltímetro preparado para medir el potencial de la línea afectada con respecto al electrodo de cobresulfato de cobre en el punto de cruce o en el punto de mayor exposición. La resistencia de la conexión se hace de manera que el potencial de la línea afectada con el rectificador ON sea la misma que la observada antes de la instalación de la conexión. El propósito principal de la interconexión es evitar la corriente de interferencia mediante el balance de los potenciales de referencia de las estructuras conectadas.

6.2.2

Revestimientos Algunas interferencias no pueden ser resueltas mediante la interconexión, tal es el caso de interferencia producto de cruces de tuberías poco revestidas o desnudas. Si se sabe relativamente la densidad de corriente que entra en la tubería desnuda a través del suelo, se localizará la zona en la cual se reduce el potencial de la tubería que se quiere proteger, una solución sería disminuir el flujo de la densidad de corriente a la tubería desnuda en el área de cruce. Esto puede ser logrado a través de la aplicación de revestimientos de calidad en el área de cruce en la tubería que causa la interferencia; obteniéndose como resultado una reducción del flujo de corriente desde el suelo hacia la línea que produce la interferencia.

6.2.3

Uso de Ánodos Galvánicos Otra medida para corregir las interferencias implica el uso de ánodos galvánicos conectados a la línea afectada en el área de interferencia producto de la línea foránea protegida catódicamente. Para muchas aplicaciones de este tipo, una línea simple de ánodos entre la línea afectada y la causante de la interferencia, será suficiente para mitigar los efectos dañinos. Los ánodos más fuertes serán usados en los puntos de mayor exposición en los cruces de tuberías y los más débiles en cualquier otra zona. Los ánodos de magnesio son usados


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exitosamente porque tienen un campo de gradiente de potencial anódico mas alto que los de cinc. La longitud de la ristra de ánodos depende de la longitud del área de potencial caído en la línea afectada. Se deberá instalar un punto de prueba para monitorear periódicamente la salida del ánodo y facilitar la medición de potenciales. 6.2.4

Uso de Escudos Eléctricos En lugares donde una línea pasa cerca del área de influencia de un lecho de ánodos circundante, es posible reducir la cantidad de corriente de interferencia que la línea recoge mediante el uso de “escudos eléctricos”. Los escudos reducen la absorción de corrientes de interferencia pero no las eliminan por completo. Se puede esperar que la corriente de interferencia aún fluya desde el área de absorción hasta algún punto de descarga donde ocurrirá la corrosión. Este flujo de corriente necesita ser revertido y se puede hacer a través de ánodos galvánicos o interconexiones, si el escudo ha reducido razonablemente la absorción de corrientes de interferencia. Para los escudos se utiliza tubería desnuda, de diámetros pequeños (una tubería de ¾ pulgada podría ser satisfactorio en muchos casos), para mantener la demanda de corriente entre lo razonable. Previo a la instalación de los escudos se debe realizar un estudio económico, para determinar la factibilidad de su colocación o de reubicar el lecho de ánodos.

7 PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODOS DE SACRIFICIO 7.1

General Con este método, prevalece la acción galvánica para proveer corriente de protección. La superficie de la estructura se hace catódica conectándola a un metal menos noble (ánodo) en un electrolito común. Los elementos más usados para este fin son el magnesio, el aluminio y el cinc. Estos ánodos comúnmente se conocen como ánodos de sacrificio porque la protección de la estructura va acompañada del consumo simultáneo de los ánodos por corrosión electroquímica.

7.2

Aplicaciones de los Ánodos de Sacrificio Los ánodos de sacrificio se utilizan principalmente cuando se requieren corrientes relativamente pequeñas en sitios con muy baja resistividad eléctrica. Los sistemas de protección catódica por ánodos de sacrificio son utilizados principalmente para:


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7.2.1

Proteger pequeñas secciones de tubería con revestimiento en buenas condiciones o fondos de tanques, que requiera una cantidad moderada de corriente.

7.2.2

Complementar localmente la falta de protección de una estructura ya protegida por un sistema de corriente impresa.

7.2.3

Proteger temporalmente una estructura durante su construcción, hasta que sea instalado el sistema de protección catódica por corriente impresa.

7.2.4

Corregir interferencias que puedan presentarse por corrientes parásitas de baja intensidad producidas por un sistema de protección catódica por corriente impresa u otra fuente de corriente continua (este tipo de situación se produce generalmente en los cruces de tuberías).

7.2.5

Controlar corrientes de interferencia en áreas congestionadas y en áreas urbanas.

7.2.6

Proteger estructuras donde no se disponga de ninguna fuente de energía eléctrica.

7.2.7

Aunque no represente una aplicación de protección catódica, los ánodos de sacrificio pueden ser utilizados como tomas de tierra en estaciones para eliminar puntos de tensión AC sobre los equipos.

7.3

Material de los Ánodos Los ánodos de sacrificio se fabrican principalmente de magnesio, aluminio y cinc. Las principales características de estos ánodos se presentan en la Tabla 7. Tabla 7 - Características de los ánodos de sacrificio

Aleación Magnesio 0.5-1.3% Mn 5-7% Al / 2-4% Zn Cinc 0.3-0.5% Al / 0.025-0.1 % Cd Aluminio (6) 0.35-0.5% Zn 6-8% Zn/0.1-.02% Sn 2-5%Zn/0.02-0.05%In/0.5-1%Mg (1)

Medio

Consumo (kg/A-año) (1)

Capacidad Teórica (A-h/kg) (2)

Eficiencia (%) (3)

Capacidad Práctica (A-h/kg) (4)

Suelo/Agua dulce Suelo/Agua dulce

3,98

2.200

50

1.100

Agua de mar

10,69

820

90-95 (5)

740-780

Agua de mar Fango de mar Fango de mar

2,94

2.980

85-95

2.540-2.830

El consumo fue calculado a partir de la siguiente expresión: W W : Consumo (kg/A∗año) M : Peso atómico del material anódico (gr) t : Tiempo (3.1536x107 s/año)

=

M∗ t ∗I

n

∗

F ∗ 1000 , donde:


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REVISION FECHA 1 JUN.04 Página 26 I n F (2)

: : :

Flujo de corriente promedio (A) en el tiempo t. Número de electrones transferidos por átomo de material anódico (Estado de oxidación o Valencia). Constante de Faraday (96490 coulombios/equiv.gr.material anódico).

La capacidad teórica fue calculada a partir de la siguiente expresión: Ct Ct : W :

=

( 8760

W

)

, donde:

Capacidad Teórica de drenaje de corriente del material anódico (A∗h/kg). Consumo (kg/A∗año)

(3)

WAGNER, John: Cathodic Protection Design I. NACE International. Abril, 1993. PEABODY, A.W. : Control of Pipeline Corrosion. NACE. Houston, 1967.

(4)

La capacidad práctica fue calculada a partir de la siguiente expresión: Cp Cp : Capacidad Práctica (A∗h/kg) Ct : Capacidad Teórica (A∗h/kg)

(5)

La eficiencia del cinc es razonablemente constante para salidas de corriente bajas a muy altas, en términos de mA/pie 2 de superficie del ánodo. Esto aplica cuando se emplean ánodos de cinc de alto grado de pureza. Una eficiencia de 90% es conservadora.

(6)

Debido a regulaciones ambientales, los ánodos de aluminio no deben contener mercurio (Hg).

=

Ct ∗ Eficiencia , donde:

Los ánodos de magnesio pueden utilizarse económicamente en medios de más alta resistividad (mayor de 3.000 ohm-cm), en comparación con los ánodos de cinc de aluminio. No deben utilizarse en aguas salobres a temperaturas mayores de 30°C o en aguas frescas a temperaturas mayores de 45°C, dado que la autocorrosión de los ánodos se acentúa a altas temperaturas, disminuyendo así su eficiencia. Para aplicar protección catódica con ánodos de magnesio, éstos deben tener una alta pureza. Los ánodos de cinc no son una alternativa económica en medios de resistividad mayor de 1.500 ohm-cm. Su principal uso se circunscribe al agua de mar, o cuando la corriente requerida es baja, pero constante y se desea un largo tiempo de servicio. El cinc puede utilizarse en aguas de altas temperaturas (30 – 60 °C), en las cuales las aleaciones de magnesio se corroen rápidamente. Sin embargo, no deben emplearse ánodos de cinc a temperaturas superiores a 60°C, dado que en algunos tipos de aguas, a 70 °C aproximadamente, su polaridad cambia de negativa a positiva con respecto al acero, promoviendo el ataque del mismo en lugar de protegerlo. Tampoco se recomienda en los ambientes donde hay presencia de carbonatos o bicarbonatos. Los ánodos de aleación de aluminio no se recomiendan para otro servicio que no sea agua de mar o aguas salobres, preferiblemente si la aleación está activada con indio. Las aleaciones de aluminio no se emplean en suelos por cuanto se recubren de una capa de óxido de aluminio que las inactiva, es decir, las pasiva; por el contrario, al ser sometidas a la acción de agua de mar, o de aguas con suficiente contenido de cloruros (mayor de 3.000 ppm), éstos rompen la capa pasiva activando nuevamente la aleación. Es por ello que el aluminio sólo puede ser empleado cuando el contenido de cloruros es suficientemente alto como para despasivar la superficie del ánodo y permitir el drenaje de corriente.


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En instalaciones subterráneas, para asegurar su buen funcionamiento, los ánodos de magnesio y cinc se emplean con una mezcla de relleno preparado que los cubre completamente. Este relleno, por su baja resistividad (50 ohm-cm) y por la solubilidad de sus componentes, tiene un efecto de acondicionamiento sobre la resistividad del suelo adyacente, y como resultado se obtiene una resistividad más baja sobre varios metros alrededor del ánodo. Así mismo, el relleno aumenta la superficie efectiva del ánodo, reduciendo la resistencia entre el ánodo y el suelo. La mezcla comúnmente utilizada como relleno para los ánodos de magnesio y cinc es la siguiente: 75% yeso hidratado (CaSO4.2H2O) 20% arcilla de bentonita 5% sulfato de sodio (Na2SO4) Los ánodos galvánicos serán instalados en grupos en puntos distribuidos a lo largo de la tubería a fin de suministrar una protección total y para facilitar la inspección y el mantenimiento. Los suelos con la mejor combinación de baja resistividad eléctrica, alta concentración química y máximo contenido de humedad, serán seleccionados para la ubicación del ánodo galvánico. La distancia hasta la estructura enterrada deberá estar entre 1,0 m y 6,0 m, dependiendo de la resistividad del medio. En sistemas mixtos (ánodos galvánicos/corriente impresa), la ubicación de los ánodos dependerá del perfil de potenciales de la estructura. La selección de los ánodos galvánicos estará restringida a los de magnesio o de cinc de alta pureza que se consigan en el mercado. Los ánodos de cinc se utilizarán solo en medios electrolitos de baja resistencia y donde las bajas salidas de corriente y los bajos potenciales de solución resultantes sean tolerables. El tamaño del ánodo, forma, peso, pureza y relleno dependerá de los requerimientos para cada instalación en particular, de acuerdo a los materiales especificados en esta norma.

8 PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA 8.1

General Con este método, la estructura a proteger forma parte de un circuito eléctrico, con una fuente de corriente directa y un lecho de ánodos. El lecho de ánodos puede estar formado por grafito, hierro/silicio/cromo, chatarra, titanio platinizado, magnetita, MMO (Oxidos de Metal Mezclado), etc., cuyo costo dependerá de la rata de consumo en el tiempo, factor determinante en el costo del proyecto.


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Los sistemas de protección catódica por corriente impresa se utilizan cuando se requieren grandes cantidades de corriente para la protección de la estructura.

8.2

Fuentes de Corriente Las fuentes de corriente externa utilizadas en los sistemas de protección catódica incluyen: rectificadores/transformadores AC/DC, motores generadores, generadores termoeléctricos, generadores de viento y generadores solares, de los cuales, los rectificadores/transformadores son los utilizados con mayor frecuencia. En cuanto a los rectificadores se prefieren aquellas unidades estandarizadas que cumplan con las regulaciones eléctricas aplicables al área donde sean instalados. La selección del tipo se hará de acuerdo a lo siguiente: a) Para requerimientos normales se usarán unidades monofásicas enfriadas con aire. b) Las unidades sumergidas en aceite serán utilizadas en áreas donde se presenten condiciones de alto grado de humedad, ambiente marino, alta temperatura ambiental, vapores corrosivos dañinos, condiciones de polvo excesivo, vapores explosivos peligrosos o condiciones similares. c) Las unidades trifásicas serán usadas siempre que se disponga de suministro eléctrico trifásico. d) Unidades montadas en bases serán utilizadas en aquellos casos en que la apariencia y/o el peso son los factores determinantes. Las fundaciones para estas unidades las diseñará la sección de Ingeniería Civil. e) Se utilizarán rectificadores de silicio de onda completa, los cuales serán protegidos con limitadores de sobretensión (varactor) y pararrayos diseñados específicamente para este uso. Los rectificadores y/o demás fuentes de poder deberán instalarse en localizaciones accesibles, que faciliten su posterior mantenimiento. La ubicación estará determinada por los siguientes factores: a) Cercanía a una fuente de energía eléctrica económica b) Fuente de energía de corriente continua adyacente al lecho de ánodos c) Área no clasificada d) Resguardo y ventilación adecuada e) Vías de acceso cercanas f) Suelo de baja resistencia, bien humectado


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La capacidad máxima de salida de la fuente de poder deberá ser 50% (tierra) y 20% (agua) mayor que la capacidad calculada en el diseño. Los rectificadores de protección catódica deberán espaciarse a intervalos a lo largo de la tubería. La separación estará determinada por los siguientes factores: a) Capacidad del rectificador y el lecho de ánodos b) Efecto de corrientes de interferencia (parásitas) c) Potenciales permitidos en revestimientos (ver Tabla 1) d) Cualidades dieléctricas y de aislamiento de los revestimientos de protección e) Costos f) Condiciones del electrolito Los rectificadores para protección catódica deberán cumplir con la especificación Técnica de Materiales PDVSA EM-28-07/05 “Transformador/rectificador de Protección Catódica”.

8.3

Material de los Ánodos Para los sistemas de protección catódica por corriente impresa se usarán ánodos inertes (pasivos), tales como hierro-silicio-cromo, hierro fundido, grafito, titanio, MMO y otros metales recubiertos. Dichos ánodos estarán rodeados de carbón suave compactado o coque desmenuzado, cuando sea posible, a fin de aumentar el tamaño efectivo del ánodo. En la Tabla 8 se muestran las principales propiedades de los ánodos de corriente impresa. Tabla 8 - Propiedades de los ánodos de corriente impresa

Propiedad

Ánodos de Corriente Impresa Niobio Fe-Si-Cr Grafito platinizado

Lida

Chatarra de acero

Consumo aproximado (kg/A.año) Agua de mar Suelo Fondo del Lago

1.0 1.0 1.3

N 0.20 N

8.63x10-6 1x10-6

0.0005 0.0071

9.1 9.1 9.1

Densidad de corriente Máxima recomenda (mA/cm 2 ) Agua de mar Agua dulce Suelo

0.5 0.5 1.0

N N 0.15

40 40 0.15

60 11 10

L L 0.5

MMO

1x10-6


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Voltaje máximo permitido (voltios) Agua de mar Agua dulce Suelo

N/L N/L N/L

N N N/L

60 N/L N/L

N/L N/L N/L

L L L

Factor de utilización Recomendado (F utilización )

0.85

0.85

0.90

0.90

0.75

N L N/L FUENTE

: : : :

No recomendado Si está colgado en agua, no hay límite. Sin límite. Manual de Ingeniería de Diseño de Sistemas de Protección Catódica. Lagoven. Marzo, 1997.

Los ánodos de hierro-silicio-cromo son usados comúnmente para lechos superficiales, sin embargo también pueden ser utilizados para lechos profundos. El relleno de coque utilizado para la construcción del lecho de ánodos deberá tener una resistividad no mayor de 25 ohm-cm a presión atmosférica, así mismo, deberá cumplir con la norma PDVSA EM-28/07/03 “Coque Metalúrgico para uso en Lechos de Ánodos para Sistemas de Protección Catódica por Corriente Impresa”. Por otro lado, debe poseer una granulometría de 90% finos menor de 1 mm, bajo contenido de S < 2 ppm en peso, para Fe-Si-Cr. Para el MMO, el coque debe ser de muy baja resistividad eléctica < 2 ohm-cm.

La colocación de los ánodos en el lecho será diseñada de forma tal que permita una descarga uniforme de corriente. Los ánodos en los lechos superficiales normalmente se colocarán en posición vertical a menos que se presenten rocas o alguna otra obstrucción. En tal caso podrán ser in stalados en posición horizontal de manera de aprovechar las condiciones del suelo. Los ánodos de Titanio y MMO se instalarán de forma directa a la estructura de soporte o como lechos flotantes, para el caso de estructuras sumergidas. Para la ubicación del lecho de ánodos se deben tomar en cuenta los siguientes factores: a) Facilidades de corriente: los lechos de ánodos estarán ubicados de tal modo de

utilizar al máximo la corriente de protección con un flujo mínimo de corriente de interferencia. b) Accesibilidad: el diseño debe procurar minimizar los problemas de obtención de

derecho de paso a la vez que se suministre accesibilidad para la instalación, la inspección y el mantenimiento.


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c) Suelo: se preferirá para la ubicación de los lechos de ánodos los suelos que

contengan la mejor combinación de baja resistividad eléctrica, alta concentración química y máximo contenido de humedad. d) Potencial estructura-electrolito: el lecho de ánodos estará localizado de forma

que el potencial entre la superficie recubierta y el electrolito no exceda los valores reportados en la Tabla 9. Tabla 9 - Potencial máximo entre la superficie recubierta y el electrolito, medido respecto al electrodo de Cu/CuSO4 Condición Suelo de alta resistencia, revestimiento de alta adherencia Suelo de alta resistencia, revestimiento de baja adherencia Suelo de baja resistencia Agua de mar

Potencial Máximo (V) 3,0 2,5 2,0 1,3

La selección del tipo de lecho de ánodos a utilizar (horizontal, vertical, profundo), dependerá de ciertas variables, tales como: precipitación anual, condiciones del suelo, problemas de interferencia y costos del derecho de paso e inversión inicial. Los lechos de ánodos de corriente impresa remotos (sencillos o distribuidos) deberán utilizarse de acuerdo con los requerimientos mínimos de diseño y las consideraciones económicas a que haya lugar. Las distancias recomendadas del lecho de ánodos de corriente impresa a la tubería será definida de acuerdo con lo indicado en la Tabla 10.


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Tabla 10 - Distancia mínima del lecho de ánodos a la tubería Capacidad de corriente Distancia mínima de las del lecho estructuras enterradas (A) (m) 30 50 50-100 80 100-150 150 FUENTE: Manual de Ingeniería de Diseño de Sistemas de Protección Catódica de Tuberías Enterradas. Lagoven. Marzo, 1997.

La separación entre ánodos de un lecho deberá ser como mínimo 7,5 m; mientras los lechos de ánodos de corriente impresa adyacentes deberán estar separados entre sí una distancia mínima de 50 m. Si la capacidad de salida de corriente de cualquiera de ellos es mayor que 50 A, la distancia mínima será de 80 m. La resistencia del lecho de ánodos puede ser disminuida aumentando el número de ánodos, longitud del ánodo, diámetro, profundidad o separación y disminuyendo la resistencia del suelo adyacente a los ánodos. Puede incrementarse el alcance de la protección al aumentar la distancia entre el lecho y la estructura protegida, así como también, mejorando el revestimiento de la estructura enterrada o sumergida adyacente al lecho de ánodos. La salida de corriente estable del lecho puede asegurarse tomando previsiones para el reabastecimiento futuro de agua, si fuera necesario mantener la humedad.

9 CÁLCULOS DE DISEÑO 9.1

Ánodos Galvánicos La corriente de salida, drenada por el ánodo, así como la determinación del número de ánodos requeridos, su tasa de consumo y el tiempo de servicio son fundamentales a la hora de diseñar un sistema de protección catódica. Para realizar los cálculos de diseño se requiere de ciertos datos técnicos, a saber: a) Área a proteger (m2, ft2)

b) Revestimiento aplicado, en caso de estructuras nuevas c) Resistividad del Medio (ohm-cm) d) Temperatura promedio (°C) e) Condición del revestimiento (% área desnuda o con daños). Ver Tabla 5.


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f) Vida útil de la estructura (activo) g) Tipo de ánodo, dimensiones h) Eficiencia del ánodo (%) i) Factor de utilización del ánodo (%) j)

Densidad de corriente (mA/m2)

Prequerido N= Pcomercial donde: N : Prequerido : Pcomercial :

Número de ánodos Peso total de material anódico requerido (Kg) Peso del ánodo comercial (Kg)

8.76 ∗ Ap ∗ i ∗ n P = requerido E C F anodo ∗ t ∗ utilizacion

donde: Prequerido Ap i n Eánodo Ct

: :

Futilizacion

: : : : :

Peso total de material anódico requerido (Kg) Área a proteger (m 2) Densidad de corriente (mA/m2) Vida útil del sistema de protección catódica (número de años) Eficiencia del ánodo (%) Capacidad teórica del ánodo (A.h/kg) Factor de utilización (Futilización = 0.85)

El factor de utilización (Futilización ) está determinado por la cantidad de material anódico consumido (85%) cuando el material anódico remanente no puede proporcionar la corriente requerida. En otras palabras, cuando el ánodo se ha consumido el 85%, requerirá reemplazo pues no hay suficiente material anódico remanente para mantener un porcentaje razonable de su capacidad de corriente original. Para verificar la máxima salida de corriente por ánodo, se debe calcular la resistencia eléctrica del ánodo en el medio.

9.1.1

Resistencia de un Ánodo Vertical en Suelo Para ánodos cilíndricos, la resistencia puede ser calculada según: R vert

=

0.1592 ρ  8L 2.3 log L d 

−1  (Ec. de Dwight) 

FUENTE: Cathodic Protection Design 1. John Wagner. NACE, 1992. P. 5:21.

donde: Rvert ρ

L d

: : : :

Resistencia de un ánodo vertical (ohm) Resistividad del medio (ohm-cm) Longitud del ánodo (cm) Diámetro del ánodo (cm)


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Para otras formas o configuraciones de ánodos, el radio efectivo puede calcularse a partir de la siguiente expresión: r =

A transversa l anodo π

FUENTE: Curso de Protección Catódica. Nivel Avanzado. A. Alvarez y J. Goldin. Junio 1984.

donde: Atransversal anodo

:

r

:

Área transversal del ánodo (cm2). Se calcula según la forma geométrica del ánodo en cuestión. Radio efectivo del ánodo (cm)

Igualmente, puede utilizarse la ecuación de McCoy para calcular la resistencia de un ánodo no cilíndrico: R anodo

=

no cilindrico

0.315 ρ A expuesta

(Ec. de McCoy)

anodo

FUENTE: Corrosion 86 Forum. Paper Number 286. R. Mollan & T. Andersen. Houston, 1986. P. 8. Curso de Protección Catódica. Nivel Avanzado. A. Alvarez y J. Goldin. Junio 1984.

donde:

Ranodo

:

Resistencia de un ánodo no cilíndrico (ohm)

ρ

:

Resistividad del medio (ohm∗cm)

:

Área de superficie expuesta del ánodo (cm 2)

nocilindrico

A exp uesta anodo

9.1.2

Resistencia de un Ánodo Horizontal en Suelo R hor

=

0.1592 ρ  4L 2.3 log L d 

+ 2.3 log

L h

−2 +

2h   L 

(Ec. de Dwight)


donde: R hor

: : : : :

ρ

L d h

9.1.3

Resistencia de un ánodo horizontal (ohm) Resistividad del medio (ohm∗cm) Longitud del ánodo (cm) Diámetro del ánodo (cm) Prof. medida desde la superficie hasta el centro del ánodo (cm)

Resistencia de un Ánodo Colgado en Agua R colgado

=

0.1592 ρ  8L 2.3 log L d 

−1  

(Ec. de Dwight)


donde: Rcolgado ρ

L d

: : : :

Resistencia de un ánodo colgado en agua (ohm) Resistividad del agua (ohm∗cm) Longitud del ánodo (cm) Diámetro del ánodo (cm)


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9.1.4

Resistencia de un Ánodo tipo Brazalete en Agua R brazalete

=

0.315 ρ A expuesta

(Ec. de McCoy)

anodo

FUENTE: Corrosion 86 Forum. Paper No. 286. R. Mollan & T. Andersen. Houston, 1986. P. 8.

donde:

R brazalete ρ

A exp uesta anodo

9.1.5

: :

Resistencia de un ánodo tipo brazalete (ohm) Resistividad del agua (ohm∗cm)

:

Área de superficie expuesta del ánodo (cm 2)

Factor de Espaciamiento (F N) Cuando los ánodos se colocan muy próximos uno de otro, se ofrecen interferencia entre sí, siendo la resistencia del grupo de ánodos mayor que la de un solo ánodo. F N

=1 +

ρ πSR anodo

donde: FN

: : : : :

ρ

S

Ranodo N

ln( 0.66 N )

Factor de espaciamiento (>1) Resistividad del medio (ohm∗cm) Distancia entre ánodos (cm) Resistencia de un ánodo (ohm) Número de ánodos

Luego, la resistencia del grupo o lecho de ánodos se determina por: R Rlecho de anodos = FN anodo N donde: R lechodeanodos : Resistencia de un lecho de ánodos (ohm)

FN

: : :

Ranodo N

Factor de espaciamiento (>1) Resistencia de un ánodo (ohm) Número de ánodos

A la resistencia total del sistema, debe agregarse la del cable empleado en las conexiones de los ánodos. La salida de corriente por ánodo es función del voltaje y la resistencia ánodo/suelo. Se determina por la Ley de Ohm: Eanodo − Ecatodo polarizado ∆V Ianodo = =

Ranodo

Ranodo



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donde: Ianodo

:

Corriente de salida del ánodo (A)

Eanodo

: : :

Resistencia ánodo/suelo (ohm) Diferencia esperada de potencial ánodo-estructura (V) Potencial del ánodo (V)

Ecátodo polarizado

:

Potencial del cátodo polarizado (V). (-0.85 V para el acero, o un valor más negativo)

Ranodo ∆V

El voltaje es la diferencia entre el potencial del ánodo, o fuerza electromotriz, y el potencial del cátodo. A medida que pasa la corriente desde el ánodo al cátodo, ocurre un cambio de potencial en ambos (polarización), y su diferencia de potencial se hace cada vez más pequeña hasta que se alcanza un valor de equilibrio, donde la cantidad de corriente que fluye es exactamente la requerida para mantener una diferencia de potencial constante (corriente de polarización). El valor utilizado para Ianodo debe derivarse de la Ley de Ohm. Un error común consiste en utilizar los requerimientos de densidad de corriente mínima, suministrados por los estándares o códigos existentes, y dividir su valor por el número de ánodos para estimar la corriente individual del ánodo. Se debe recordar que las densidades de corriente dadas en los estándares son mínimas, y en la generalidad de los casos, al diseñar ánodos galvánicos por esta técnica, éstos producen más corriente bajo la mayoría de las condiciones operacionales. Durante el diseño, el especialista utilizará factores de seguridad que le permitan garantizar que el sistema cumplirá con el objetivo planteado. Si Ianodo no es suficiente para producir el potencial de polarización deseado (potencial a circuito cerrado entre el cátodo y el electrodo de referencia), entonces se deberá aumentar el número de ánodos.

9.1.6

Vida Útil del Ánodo

Y=

M Cpractica Futilizacion 8760 Ianodo ∗

∗

∗


9.2

donde: Y M Cpractica Ianodo

: : :

Futilizacion

:

:

Vida útil o tiempo de servicio estimado del ánodo (años). Peso del ánodo (kg) Capacidad práctica del ánodo (A.h/kg) (Ver Tabla 7). Corriente drenada por el ánodo (A) Factor de utilización ( Futilizacion = 0.85)

Corriente Impresa


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Para realizar los cálculos de diseño de un sistema de protección catódica por corriente impresa se requiere de ciertos datos técnicos, a saber: a) Área a proteger (m2) b)Porcentaje de deterioro del revestimiento (% de daños) (Ver Tabla 6). c) Densidad de corriente (mA/m2) d) Vida útil del sistema de protección catódica (número de años) Las ecuaciones siguientes pueden utilizarse para estimar la resistencia de un lecho de ánodos convencionales profundo o superficial, constituido por ánodos verticales u horizontales en una línea central común. 9.2.1

Resistencia de un Lecho de Ánodos Vertical (Rlecho vertical):

R lecho vertical = R anodo + R cabezal de cables + R cama vertical donde: R anodo

Resistencia ánodo vertical-electrolito (ohm)

:

R cabezaldecables : R cama vertical : R anodo

=

Resistencia del cabezal de cables (ohm) Resistencia de la cama de ánodos vertical (ohm)

0.00521 ρ  8L 2.3 log L d 

−1  (Ec. de Dwight) 


donde: R anodo ρ

: :

L d

: :

Resistencia ánodo vertical-electrolito (ohm) Resistividad del medio, medida a una profundidad correspondiente al centro de la columna de ánodo más backfill (ohm-cm) Longitud del ánodo más el backfill (pies) Diámetro del ánodo más el backfill (pies)

La resistencia ánodo/medio de un grupo de ánodos verticales, en paralelo, y espaciados equidistantemente entre sí, en línea recta, es: R N

=

1 N

R anodo

+

ρ′FI S

FUENTE: Pipeline Corrosion and Cathodic Protection. Third Edition. Marshall Parker & Edward Peattie. Gulf Publishing Company. Houston, 1995. P. 62.

donde: RN

:

Resistencia del lecho de ánodos (ohm)

R anodo N ρ´

: : :

S

:

Resistencia de un ánodo vertical (ohm) Número de ánodos Resistividad del medio, medida a una profundidad correspondiente al espaciamiento de los ánodos (ohm-cm) Espaciamiento de los ánodos (cm)


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FI

:

Factor de interferencia entre ánodos adyacentes. Se obtiene a partir de la Tabla 11.


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Tabla 11 - Factores de Interferencia (F I ) N (No. de ánodos)

FI

2 0.00261 3 0.00290 4 0.00283 0.00268 5 6 0.00252 7 0.00238 8 0.00224 9 0.00212 10 0.00201 0.00192 11 12 0.00183 13 0.00175 14 0.00168 15 0.00161 16 0.00155 17 0.00150 18 0.00145 0.00140 19 20 0.00136 21 0.00132 22 0.00128 23 0.00124 24 0.00121 0.00118 25 26 0.00115 27 0.00112 28 0.00109 29 0.00107 30 0.00104 FUENTE: Pipeline Corrosion and Cathodic Protection. Third Edition. Marshall Parker & Edward Peattie. Gulf Publishing Company. Houston, 1995. P. 62.

Rcabezal de cables = [ ( N − 1) S Rcable principal ] + [ N ( L cable anodo Rcable anodo ) ] ∗

∗

∗

donde:

R cabezaldecables : N S

[ ( N − 1)

∗

S]

: : :

Resistencia del cabezal de cables (ohm) Número de ánodos Espaciamiento entre ánodos (m) Longitud del cable principal (m)

∗


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Rcable principal L cable anodo

:

Resistencia del cable principal (ohm/m) (Ver Tabla 12)

:

Longitud del cable del ánodo (m)

Rcable anodo

:

Resistencia del cable del ánodo (ohm/m) (Ver Tabla 12)

Se define cabezal de cables como la longitud de cable principal al cual se conectan los ánodos individuales. Comprende, asimismo, la longitud de los cables de los ánodos. La resistencia del cabezal de cables es cero en aquellos diseños en los cuales los ánodos se interconecten individualmente a la caja de distribución de positivos. R cama

vertical

=

0.00521 ρ  8L 2.3 log N∗L  d

−1 +

2L S

 (Ec. de Sunde) 

2.3 log ( 0.656 N ) 


donde:

R cama vertical ρ

N S L d

: : : : : :

Resistencia de la cama de ánodos vertical (ohm) Resistividad del medio (ohm-cm) Número de ánodos Espaciamiento entre ánodos (pies) Longitud de un ánodo (pies) Diámetro de un ánodo (incluye el relleno o backfill), (pies)

Rtotal cables = L cable positivo Rcable positivo + Lcable negativo Rcable n egativo ∗

∗

donde:

R total cables Lcable positivo

: :

Lcable negativo

:

Rcable positivo Rcable negativo

:

Resistencia total de los cables (ohm) Longitud del cable positivo (m). Se define cable positivo como la longitud de cable que se extiende desde el ánodo No. 1 (o ánodo más próximo al transformador/rectificador) hasta el positivo del transformador/rectificador. Longitud del cable negativo (m). Se define cable negativo como la longitud de cable que se extiende desde la estructura protegida hasta el negativo del transformador/rectificador. Resistencia del cable positivo (ohm/m) (Ver Tabla 12).

:

Resistencia del cable negativo (ohm/m) (Ver Tabla 12).

Esta ecuación se aplica cuando los ánodos se interconectan a un cabezal de cables que luego se extiende hacia el positivo del transformador/rectificador. En aquellos diseños en los que los cables se interconectan individualmente a una caja de distribución de positivos, la resistencia total de los cables se calcula a partir de la siguiente expresión:


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Rtotal cables = Rtotal cables positivos + Rtotal cable negativo Rtotal cable negativo = Lcable negativo Rcable negativo ∗

1 Rtotal cables positivos

=

1 1 1 1 + + + ⋅⋅⋅ + R1 R2 R3 RN

RN = LN Rcable positivo ∗

donde: Rtotal cables

:

Rtotal cables positivos :

Rtotal cable negativo

:

Lcable negativo Rcable negativo

:

R1 , R2 , RN

: :

LN

:

Rcable positivo

: :

N

Resistencia total de los cables positivos y negativo (ohm). (No incluye la resistencia del cabezal de cables, por cuanto ésta se calcula según ecuación presentada con anterioridad). Resistencia de los cables positivos (ohm). Se define cable positivo como la longitud de cable que se extiende desde cada ánodo hasta la caja de distribución de positivos. Resistencia del cable negativo (ohm). Se define cable negativo como la longitud de cable que se extiende desde la estructura protegida hasta el negativo del transformador/rectificador. Longitud del cable negativo (m) Resistencia del cable negativo (ohm/m) (Ver Tabla 12). Resistencia del cable conectado al ánodo 1, ánodo 2, ánodo 3 hasta el ánodo N respectivamente (ohm) Longitud del cable conectado al ánodo N (m). También se conoce como longitud del cable positivo asociado al ánodo N. Resistencia del cable positivo (ohm/m) (Ver Tabla 12). Número de ánodos

En el diseño de sistemas de protección catódica, es práctica común utilizar cables de cobre aislados con polietileno, recubiertos con PVC (policloruro de vinilo), cuyas dimensiones dependen de la capacidad de corriente requerida. La Tabla 12 presenta los tamaños (calibres) de cables necesarios para diversas cargas de corriente, así como las resistencias correspondientes. Tabla 12 - Propiedades de los Conductores de Cobre (Cableado Clase B, cobre blando)

Calibre AWG

Resistencia x 10-3 (ohm/m)

Capacidad de Corriente (A)


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21.4 5 18 16 13.4 10 8.45 15 14 12 5.32 20 3.342 30 10 8 2.102 40 1.322 55 6 0.8315 70 4 0.5230 95 2 1 0.4147 110 0.3288 125 1/0 2/0 0.2608 145 0.2069 165 3/0 0.1640 195 4/0 FUENTE: Accesorios Venezolanos, C.A. (ACCEVENCA)

R estructura =

Pproteccion Irequerida

donde: R estructura


Rcircuito

R lecho =

:

Resistencia de la estructura (ohm)

:

Potencial de protección (V)

:

Corriente requerida (A)

vertical

+ Restructura

R total +

cables

donde:

R circuito R lecho vertical

:

Resistencia del circuito (ohm)

:

Resistencia del lecho vertical (ohm)

R estructura

:


R total cables

:

Resistencia total de los cables (ohm)

Irequerida =

Ap i ∗

1000

donde:

Irequerida Ap i

: : :

Corriente requerida (A) Área a proteger (m2) Densidad de corriente (mA/m2)


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El voltaje de salida del transformador/rectificador será: Vsistema

=

R circuito

I

∗reque rida

2,

+

para

definir

transform a

dor/rectif

icado r

FUENTE: Pipeline Corrosion and Cathodic Protection. Third Edition. Marshall Parker & Edward Peattie. Gulf Publishing Company. Houston, 1995. P. 64.

donde:

Vsistema R circuito Irequerida

:

Voltaje del sistema (V)

:


:


Para establecer la salida del rectificador, se emplea la Ley de Ohm. Se adicionan dos (02) voltios al voltaje del sistema debido a que si pusiéramos en contacto la tubería de acero enterrada con los ánodos de hierro/silicio en su relleno de coque metalúrgico, se formaría una pila de aproximadamente dos (02) voltios por diferencia galvánica, en la cual los ánodos serían el cátodo de la pila, y la tubería, el ánodo correspondiente. Si deseamos drenar corriente en sentido contrario, debemos añadir al voltaje calculado estos dos voltios, necesarios para vencer la pila anterior. A continuación se presenta un esquema de un lecho de ánodos vertical. Esquema 1 – Resistencia de un Lecho de Ánodos Vertical


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En el caso de una fila de ánodos verticales paralelos, espaciados equidistantemente, la resistencia total máxima del circuito será de 2 ohm. Sólo en casos excepcionales, se aceptará una resistencia máxima de 3 ohm. El especialista deberá definir el estrato con más baja resistividad a través del Método de Capas de Barnes, lo cual permitirá la ubicación de los ánodos a la profundidad óptima. 9.2.2

Resistencia de un Lecho de Ánodos Horizontal (Rlecho horizontal)

R lecho h orizontal = R cabezal de cables + R cama horizontal donde: R lecho horizontal

:

R cabezaldecables :

Resistencia del lecho de ánodos horizontal (ohm) Resistencia del cabezal de cables (ohm)


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R camahorizontal :

Resistencia de la cama de ánodos horizontal (ohm)

Rcabezal de cables = [ ( N − 1) S Rcable principal ] + [ N ( L cable anodo Rcable anodo ) ] ∗

∗

∗

∗

donde:

R cabezaldecables : : :

Resistencia del cabezal de cables (ohm) Número de ánodos Espaciamiento entre ánodos (m)

S]

:

Longitud del cable principal (m)

Rcable principal L cable anodo

:

Resistencia del cable principal (ohm/m). Ver Tabla 11

:

Longitud del cable del ánodo (m)

Rcable anodo

:

Resistencia del cable del ánodo (ohm/m). Ver Tabla 11

N S

[ ( N − 1)

∗

Se define cabezal de cables como la longitud de cable principal al cual se conectan los ánodos individuales. Comprende, asimismo, la longitud de los cables de los ánodos. La resistencia del cabezal de cables es cero en aquellos diseños en los cuales los ánodos se interconecten individualmente a la caja de distribución de positivos. R cama

horizontal

=

donde: R cama horizontal ρ

h D LL

0.1592 ρ  4LL 2.3 log LL D 

+ 2.3 log

LL h

−2 +

2h LL

  (Ec. de Dwight) 

: : : : :

Resistencia de la cama horizontal (ohm) Resistividad del medio (ohm∗cm) Profundidad desde la superficie hasta el centro del lecho(cm) Diámetro del lecho (incluye el relleno o backfill) (cm) Longitud del lecho (cm). La longitud del lecho (LL) se calcula haciendo uso de la siguiente expresión:

: : :

Número de ánodos Longitud de un ánodo (cm) Espaciamiento entre ánodos (cm)

LL = N ( L + S) donde: N L S

Rtotal cables = L cable positivo Rcable positivo + Lcable negativo Rcable n egativo ∗

∗

donde:

R total cables

:

Resistencia total de los cables (ohm)

Lcable positivo

:

Longitud del cable positivo (m). Se define cable positivo como la longitud de cable que se extiende desde el ánodo No. 1 (o ánodo


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Lcable negativo

:

Rcable positivo Rcable negativo

:

más próximo al transformador/rectificador) hasta el positivo del transformador/rectificador. Longitud del cable negativo (m). Se define cable negativo como la longitud de cable que se extiende desde la estructura protegida hasta el negativo del transformador/rectificador. Resistencia del cable positivo (ohm/m). Ver Tabla 11

:

Resistencia del cable negativo (ohm/m). Ver Tabla 11

Esta ecuación se aplica cuando los ánodos se interconectan a un cabezal de cables que luego se extiende hacia el positivo del transformador/rectificador. En aquellos diseños en los que los cables se interconectan individualmente a una caja de distribución de positivos, la resistencia total de los cables se calcula a partir de la siguiente expresión:

Rtotal cables = Rtotal cables positivos + Rtotal cable negativo Rtotal cable negativo = Lcable negativo Rcable negativo ∗

1 Rtotal cables positivos

=

1 1 1 1 + + + ⋅⋅⋅ + R1 R2 R3 RN

RN = LN Rcable positivo ∗

donde: Rtotal cables

:

Rtotal cables positivos :

Rtotal cable negativo

:

Lcable negativo Rcable negativo

:

R1 , R2 , RN

: :

LN

:

Resistencia total de los cables positivos y negativo (ohm) (No incluye la resistencia del cabezal de cables, por cuanto ésta se calcula según ecuación presentada con anterioridad). Resistencia de los cables positivos (ohm). Se define cable positivo como la longitud de cable que se extiende desde cada ánodo hasta la caja de distribución de positivos. Resistencia del cable negativo (ohm). Se define cable negativo como la longitud de cable que se extiende desde la estructura protegida hasta el negativo del transformador/rectificador. Longitud del cable negativo (m) Resistencia del cable negativo (ohm/m). Ver Tabla 11 Resistencia del cable conectado al ánodo 1, ánodo 2, ánodo 3 hasta el ánodo N respectivamente (ohm) Longitud del cable conectado al ánodo N (m). También se conoce como longitud del cable positivo asociado al ánodo N.


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Rcable positivo

: :

N

R estructura =

Resistencia del cable positivo (ohm/m). Ver Tabla 11 Número de ánodos


donde: R estructura


:


:

Potencial de protección (V)

:


Rcircuito = Rlecho horizontal + Restructura + Rtotal cables donde:

R circuito

:


R lecho horizontal

:

Resistencia del lecho vertical (ohm)

R estructura

:


R cables

:

Resistencia de los cables (ohm)

Irequerida =

Ap i 1000 ∗

donde:

Irequerida Ap i

: : :

Corriente requerida (A) Área a proteger (m2) Densidad de corriente (mA/m2)

El voltaje de salida del transformador/rectificador será: Vsi st em a = ( Rc ir cuit o ∗ Ir eq uer id a ) + 2, para definir transformador / rectificador . FUENTE: Pipeline Corrosion and Cathodic Protection. Third Edition. Marshall Parker & Edward Peattie. Gulf Publishing Company. Houston, 1995. P. 64.

donde:

Vsistema R circuito Irequerida

:

Voltaje del sistema (V)

:


:


Para definir un sistema de protección catódica por corriente impresa se debe especificar:


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a) Número de ánodos b)Dimensiones y materiales de los ánodos c) Tipo de lecho (profundidad, longitud, referencia geográfica, diámetro de los huecos si es vertical) d)Espaciamiento entre ánodos e)Capacidad del Transformador/Rectificador (T/R), características (enfriamiento con aceite/aire) f) Alimentación AC para el T/R g)Ubicación del Transformador/Rectificador (T/R) h)Cantidad y calibre de los cables positivos y negativos i) Tipo de relleno de los ánodos A continuación se presenta un esquema de un lecho de ánodos horizontal. Esquema 2 – Resistencia de un Lecho de Ánodos Horizontal

10

AISLAMIENTO ELÉCTRICO


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El aislamiento eléctrico es una herramienta importante para controlar la distribución de la corriente en un sistema de protección catódica. Los dispositivos de aislamiento pueden ser utilizados para: a) Delimitar la estructura considerada en el diseño del sistema de protección catódica b) Mejorar la confiabilidad de la protección catódica c) Mejorar la eficiencia de la distribución de corriente d) Controlar las corrientes de fuga El aislamiento eléctrico consiste en la utilización de materiales de alta resistividad eléctrica para obligar a la corriente a seguir la trayectoria definida. En el caso de instalaciones superficiales se diseñarán accesorios de aislamiento a fin de controlar el flujo de corriente. Cuando los accesorios estén enterrados, se llevarán a la superficie cables de tamaño adecuado, desde ambos lados del aislamiento, como medio de monitoreo y medición de corriente. Puede requerirse el aislamiento de estructuras en los siguientes puntos: a) Conexiones hacia otras estructuras no protegidas diferentes a la estructura de interés b) Soportes metálicos c) Ambos extremos de válvulas operadas con motor d) Transiciones de líneas costa afuera-costa adentro, enterrada-superficial. e) A la salida de las plantas costa adentro f) En la entrada y salida de instalaciones tales como: refinerías, plantas de distribución, patio de tanques, entre otros Los aislamientos no se instalarán en áreas enterradas de la tubería. Se deberán instalar cajas de conexiones a través de los dispositivos de aislamiento, en lugares accesibles para mitigar interferencia eléctrica. Todos los soportes metálicos de la tubería y anclajes deberán estar eléctricamente aislados de la tubería. Se deberá considerar la utilización de dispositivos de aislamiento en los extremos de los corredores de tuberías, cuando el aislamiento individual de soportes de tuberías de gran diámetro no sea práctico y económico. Se colocarán accesorios de aislamiento en los tramos que sea necesario a lo largo de la estructura a proteger a fin de obtener un control de la corriente. Estos accesorios son


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instalados generalmente, en componentes previstos en el diseño, tales como válvulas, a fin de minimizar el costo de los aislamientos. La selección y el diseño de los accesorios aislantes (brida o unión) que vayan a ser utilizados, dependerá de los requerimientos específicos según el caso. El material será seleccionado de renglones estandarizados en función de su fabricación. El aislamiento debe ser colocado en: a) Líneas Principales: Se deben aislar de las estructuras, en estaciones y terminales, cruces de ríos, etc. b) Tanques de almacenamiento: Se deben aislar de estructuras metálicas que están conectadas al tanque c) Líneas ajenas a la planta d) Líneas de flujo: Se deben aislar de los pozos e) Áreas revestidas: En el caso de tuberías revestidas, éstas serán aisladas de las estructuras adyacentes no revestidas f) Bridas en tanquillas y superficiales: En ambos casos deben estar aisladas electricamente de manera que cada perno de ambas bridas debe estar completamente aislado Existen algunos puntos que requieren de un aislamiento especial, a saber a) Válvulas en Cajas de Válvulas: Serán aisladas en el punto de soporte mediante dos láminas metálicas separadas por una lámina de material aislante b) Soportes sobre los Muelles: Se aislarán de las tuberías utilizando múltiples capas de revestimiento de vidrio saturado con material impregnante o una capa de material aislante c) Cruce de Líneas y Líneas Paralelas: Se dejará una separación mínima de 305 mm (12 pulg) fuente de este valor entre líneas que se cruzan para efectos de aislamiento. En los casos que no se obtenga esta separación se puede aislar utilizando láminas de material aislante. El espesor de la lámina aislante dependerá de la distancia entre líneas. Sin embargo, esta distancia no será menor de 6,35 mm (1/4 pulg). Cuando sea posible, el espacio entre líneas paralelas iguales o mayores a 6 pulgadas será como mínimo 2,5 veces el diámetro de la línea de mayor diámetro d) Conductor de Puesta a Tierra y Tubería de Protección: Estarán aisladas de las secciones de tubería revestida. Los conductores de puesta a tierra de cobre desnudo, tendrán una separación mínima de 305 mm (12 pulg) de otras estructuras enterradas de diferente metal y alejados la máxima distancia posible de sistemas de protección catódica (lechos de ánodos)


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e) Estructuras metálicas enterradas de diferentes características: Serán aisladas entre ellas

10.1 Sistemas de Protección de los Accesorios Aisladores 10.1.1 Descargador de Sobretensiones para Bridas Aislantes En los casos en que la aplicación lo permita, la brida será protegida instalando un descargador de sobretensiones en los pernos de las bridas. Se puede utilizar un puente electrolítico tal como una celda de puesta a tierra prefabricada de cinc, a fin de proteger el aislamiento de la brida. 10.1.2 Dispositivos de Descargas Atmosféricas Donde no sea práctico instalar descargadores de sobretensiones o puentes electrolíticos, en las bridas y en todas las uniones aisladas, se conectará un pararrayo en paralelo con la brida aislada, en un lugar accesible para fines de mantenimiento. 10.1.3 Corriente Alterna Puentes electrolíticos, tales como celdas de puesta a tierra prefabricadas de ánodos de cinc, se usarán en las bridas aisladas donde se desee interrumpir sólo la corriente continua.

11

INTERFERENCIA ELÉCTRICA Durante el diseño de SPC, el personal debe estar alerta o pendiente para observar aspectos eléctricos o físicos que pudieran indicar la presencia de corrientes de interferencia de una fuente externa, tales como: a) Fuentes externas de corriente DC: sistemas de protección catódica foráneos y cercanos, sistemas ferroviarios, metros, sistemas UPS, entre otros. b) Fuentes externas de corriente AC: torres de distribución de alta tensión, subestaciones eléctricas, transformadores, entre otros. En áreas en la cual se sospecha la presencia de corrientes de interferencia, deberán realizarse pruebas apropiadas. Todas las partes afectadas deberán ser notificadas antes de realizar cualquier prueba. Cualquiera o una combinación de los siguientes métodos de pruebas deben ser usados. a) Sistemas cercanos y existentes: se debe realizar al menos el ensayo de Close Interval Potencial Survey (CIPS).


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b) Sist Sistem emas as nue nuevo vos: s: se se debe debenn real realiz izar ar los los ens ensay ayos os CIP CIPS S y DCVG. DCVG. Est Estas as pru prueb ebas as deben ser realizadas al culminar la fase de construcción para establecer un base cero de la estructura. Se pueden aplicar como medidas preventivas en las etapas de diseño e instalación: a) Puentes eléctricos de resistencia apropiada entre las estructuras identificadas. El puente eléctrico conduce la corriente de interferencia de una estructura afectada a la estructura interfiriente y/o fuente de corriente. b) Dispositivos de control unidireccional, tales como diodos o suiches de corriente reversa, pueden requerirse en conjunto con puentes eléctricos si están presentes fluctuaciones de corrientes. Estos dispositivos previenen el regreso del flujo de corriente. c) Un resistor puede puede ser necesario necesario en el circuito circuito puente puente para controlar controlar el flujo de corriente corriente eléctrica desde la estructura afectada a la estructura interfiriente. d) La colocación de puentes eléctricos puede reducir el nivel de protección catódica en la estructura interfiriente. Se requerirá reforzar o ajustar estos niveles para compensar este efecto. e) En aquellos lugares en los cuales la corriente de interferencia esta siendo descargada, la fuente de corriente de protección catódica debe ser galvánica. f) Modificar la ruta considerada en tuberías propuestas puede evitar fuentes de corrientes de interferencia. g) Accesorios de aislamiento eléctrico ubicados apropiadamente en la nueva estructura puede reducir o resolver los problemas de interferencia. h) Refuerzos en el revestimiento externo en áreas de corrientes intensas puede reducir o resolver los problemas de interferencia.

12

UBICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE MONITOREO DE SPC Los puntos de medición se definen como aquellos puntos a lo largo de un sistema metálico enterrado o sumergido protegido, en los cuales se harán mediciones de corriente o potencial a fin de evaluar el nivel o condición de la protección catódica. Estos puntos serán provistos, dentro de los límites de factibilidad económica y lógica, en cantidades suficientes


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y en intervalos apropiados a fin de minimizar la posibilidad de omitir un área de la estructura enterrada, no protegida o corroída. En el caso caso de estruc estructur turas as enterr enterrada adas, s, los puntos puntos de medició mediciónn de potenc potencial ial deberá deberánn instalarse en cada: marcador de kilómetro de la tubería, cruce con casing aislado, cruce de carretera y en cualquier localización que se requiera por necesidades operacionales. Para tuberías sumergidas, los puntos de medición de potencial deberán instalarse cada kilómetro. Todos los puntos de prueba deberán completarse dentro de los treinta (30) días después de enterrarse la tubería. Los puntos de prueba prueba y cajas de interconexi interconexión ón metálicas metálicas (positivos (positivos o negativos) negativos) deberán realizarse realizarse de acuerdo acuerdo con los planos suministrados suministrados para tal fin. La ubicación ubicación de la misma será la indicada en los planos de construcción. Todos los cables de las cajas de interconexión y puntos de prueba deberán identificarse con etiquetas etiquetas permanente permanentes. s. El cable y el terminal deberán marcarse marcarse con el número de la estructura a la cual están conectados. La ubicación de las cajas de monitoreo cumplirá con las disposiciones contenidas en las normas y códigos eléctricos nacionales, considerando las clasificaciones de las áreas respectivas.

13

PROTECCIÓN DE TUBERÍAS ENTERRADAS

13.1 General En tuberí tuberías as enterr enterradas adas,, la protecc protección ión catódic catódica a debe debe ser conside considerad rada a como como la medida medida complementaria para mitigar la corrosión externa. El revestimiento es el principal sistema de protección contra la corrosión.

El historial de corrosión de otras tuberías o estructuras de acero circunvecinas ofrecen a menudo el grado de corrosión que puede ser esperado, pero aún así, un estudio del medio puede ser necesario para proveer datos suficientes a un diseño de instalación adecuado. En la fase de diseño de la tubería se considerará el diseño del Sistema de Protección Catódica asociado, el cual deberá ser instalado durante la ejecución del proyecto excepto cuan cuando do el Inge Ingeni nier eroo encar encarga gado do de prot protec ecció ciónn catódi catódica ca requ requier ieraa real realiz izar ar prue prueba bass adicionales antes de la instalación del SPC.


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Para líneas existentes, que presenten señales de corrosión, consultar la Sección 6 de esta Norma. 13.2 OPCIÓN DE SISTEMA 13.2.1 General Para las tuberías enterradas es usual un sistema por corriente impresa, pero dependiendo del precio y la disponibilidad de corriente eléctrica y el terreno a través del cual esta pasa, los ánodos de sacrificios pueden ser considerados. En otros casos, puede utilizarse otras fuentes de energía. Una indicación de los requerimientos de densidad de corriente media para diferentes acero se muestran en la Tabla 3, 6.1.2. 13.2.2 Sistema de Corriente Impresa La selección del componente anódico esta determinado por las circunstancias del medio. Las características para varios tipos de ánodos se describen en (5.3). Los lugares más convenientes para los lechos anódicos pueden ser bien determinados por las mediciones mediciones de resistivid resistividades ades del medio. La resistencia resistencia del lecho anódico anódico debe ser lo más baja posible y por consiguiente, deben localizarse en suelos de baja resistividad . La instalación de los rectificadores con potencial controlado debe ser considerada en casos dónde las corrientes parásitas estén en juego. 13.2.3 Ánodos de sacrificio El uso de ánodos de sacrificio es preferido cuando uno o más de las siguientes condiciones apliquen: • • • • • •

Falta de personal especializado para mantener los equipos eléctricos asociado a los sistemas de corriente impresa. La ruta de la tubería es no es adecuad uada para la dispos posición ión de los cable bles, transformador/rectificador transformador/rectificador y los lechos l echos de ánodos requeridos para corriente impresa. La corriente corriente suministrada suministrada no es adecuada adecuada o la fuente fuente está tan lejana que los costos de los cables son excesivos. La protección catódica sólo será aplicada a “puntos calientes”; por ejemplo; en una cavidad de suelo de baja resistividad. Las tuberías están en áreas muy congestionadas, donde un sistema de corriente impresa podría causar interferencia con otras estructuras de acero enterradas. La tubería esta esta sumergida en ciénagas de baja resistividad.


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13.2.4 Revestimientos La aplicación del revestimiento debe hacerse lo más perfecto posible como económicamente sea aceptable. La protección catódica nunca debe considerarse como un sustituto adecuado del revest revestimi imient entoo (Ver (Ver Norma Norma O-201, O-201, Selecc Selección ión y Especi Especific ficaci acione oness de Aplicac Aplicación ión de Pintura Pinturass Industriales).

13.2.5 Empalme de cables El método aceptado para unir los cables de protección catódica a una tubería o a otras estructuras es por medio de soldadura térmica. Sin embargo, para evitar efectos perjudiciales, particularmente en las tuberías tuberías de acero de alta resistencia, resistencia, el cambio cambio térmico no debe ser mayor a 15 °C, °C, como también, el área cable no debe ser mayor a 16 mm2. Si es necesario unir un cable más pesado, entonces los hilos deben separarse en grupos con una sección transversal no mayor a 16 mm2 y cada cada grup grupoo debe debe unirs unirsee sepa separa rada dame ment ntee a la tube tuberí ría. a. Podr Podráá sold soldar arse se térm térmic icam amen ente te,, sin sin restricciones, alternando el cable más pesado, a una lámina doble la cual puede unirse a la tubería por soldadura. 13.2.6 Efectos de la corriente alterna Las corrientes alternas inducidas en los sistemas de tuberías con recorrido paralelo especialmente con líneas de transmisión eléctrica, no tienen influencia sobre la corrosión de las líneas protegidas catódicamente pero puede generar voltajes que requieran mitigación. No es raro que las tuberías y los sistemas de transmisión de poder comparten el derecho de paso. Las regulaciones y reglamentos existen para guiar el aterramiento de los sistemas de transmisión de poder y las distancias que deben ser mantenidas entre éstos y las tuberías en cuestión. Sí el recorrido de la tubería es cerca y paralela a un sistema de alto voltaje aéreo que no puede ser evitad evitado, o, debe ser dirigid dirigidoo un estudi estudio, o, por person personal al del área área debida debidamen mente te capaci capacitad tado, o, para para determinar determinar cuáles secciones secciones de la tubería tubería son influenciadas influenciadas por un corto circuito circuito a tierra tierra y hasta qué punto es afectada. Algunas consideraciones que deben tomarse en cuenta son: 

Durante la construcción de una tubería, esta debe separarse de la proyección vertical de la línea de alto voltaje más cercana por lo menos 10 m por razones de seguridad.


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REVISION FECHA 1 JUN.04 Página 56 



Las estaciones de válvula, válvulas de alivio, y otras, no deben ser instaladas a 30 m proyectando sobre la tierra. Entre la tubería y el punto de aterramiento de la torre de transmisión, la distancia mínima será 3 m adicionales para un máximo de corriente por falla de tierra de 5 kA más 0,5 m para todo kA adicional.

Aparte de las líneas aéreas de alto voltaje AC, el peligro puede resultar de las vías férreas eléctricas y de tranvías. Para predecir la magnitud de la influencia deberá realizarse un estudio detallado por una empresa especializada.

10.7 Aterramiento de tubería. El lugar más efectivo para la instalación del aterramiento sobre la tubería enterrada está en el punto donde el voltaje inducido es el máximo. Un buen aterramiento queda establecido como un punto de servicio para anular la distribución de voltaje exponencial local. Sin embargo, los efectos de mitigación de esta instalación de aterramiento son despreciables en una subida de voltaje localizada entre 8 y 10 km. Por consiguiente, un aterramiento debe ser establecido para cada máximo de voltaje inducido. La reducción efectiva de un potencial inducido AC sobre una tubería enterrada requiere una impedancia del aterramiento muy baja, generalmente menor a 2 ohms.

14 PROTECCIÓN DE TUBERÍAS O ESTRUCTURAS SUMERGIDAS Se debe considerar los preliminares contenidos en el punto 6 para tuberías o estructuras sumergidas, esto dará como resultado el conocimiento de las distintas variantes que deberán tomarse en cuenta en el diseño de Protección Catódica. Igualmente, la caracterización del medio debe ser realizada como parte de los insumos que permitirán desarrollar un diseño sólido. La baja y uniforme resistividad de aguas marítimas trae como consecuencia otros efectos los cuales deben considerarse en el diseño de sistemas de protección catódica tanto en tuberías como en estructuras sumergidas. En zonas con densidades altas en tuberías y estructuras donde se conozca o se estime la presencia de cruces de líneas o cercanía con estructuras, se debe considerar con alta relevancia el efecto de las corrientes de interferencia debido a la baja resistividad y se debe igualmente tomar


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en cuenta para diseñar los métodos propuestos para evitar o solucionar ubicados en los puntos 6.2.1, 6.2.2 y 11 de esta norma. Para tuberías desnudas o con revestimiento se debe considerar lo siguiente en relación con la densidad de corriente: En tuberías o estructuras sumergidas donde no se halla considerado la instalación inicial de un sistema de protección catódica se deberá intentar la realización de pruebas de drenajes de corrientes (punto 6.1.2) para determinar la densidad de corriente real y calcular la densidad de corriente de diseño. Para realizar estas pruebas y desarrollar el diseño se tomará en cuenta la utilización de los materiales considerados en la Tabla 2 de esta norma. En el caso de tuberías o estructuras por instalar se debe considerar las densidades de corrientes establecidas en las Tablas 4 y 5 de esta norma. En la investigación preliminar realizada a las tuberías o estructuras se debe obtener el año de instalación de las mismas con la finalidad de usar este valor para determinar la eficiencia del revestimiento usando la tabla 6 de esta norma.

Todas las mediciones de potenciales se realizarán como se establece en el punto 6.1.3. Las tuberías y estructuras podrán ser protegidas a través de la utilización de sistemas galvánicos, por corriente impresa o por una combinación de ambos. Para el caso de sistemas galvánicos debe remitirse a los puntos 6.2.3, 6.2.4 y 6.2.5, para el caso de sistemas por corriente impresa se debe remitir a los puntos 6.2.6, 6.2.7 y 6.2.8 En el caso donde se considera una combinación de ambos y las facilidades técnicas lo permitan se deberá considerar como primer sistema el de corriente impresa y el galvánico se considerará como refuerzo. Para conocer la forma de cálculo para ambos sistemas debe remitirse a los puntos 9.1 y 9.2.

15

PROTECCIÓN DE FONDOS DE TANQUES

15.1 GENERAL El propósito de esta sección es presentar los procedimientos para el diseño de sistemas de protección catódica y de esta manera lograr el control eficaz de la corrosión en los fondos de tanques de acero al carbono utilizados para almacenamiento. Las recomendaciones dadas aquí aplican para la protección catódica de los tanques de almacenamiento existentes y nuevos. En este documento se da por sobreentendido que la protección catódica puede ser usada en presencia o no de recubrimientos protectores sobre la superficie metálica en contacto con el electrolito.


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Este documento aplica para tanques de acero al carbono soldados, apernados o remachados fabricados en el área operativa o en talleres. Sin embargo, no especifica diseños para situaciones particulares debido a las variadas condiciones en las cuales va ha estar instalado el tanque no permiten la estandarización de prácticas para diseños de protección catódica. Cada diseño debe ser desarrollado por un profesional de la ingeniería de corrosión con amplia experiencia comprobada en protección catódica.

15.2 DETERMINACION CATODICA

DE

LAS

NECESIDADES

DE

PROTECCION

La necesidad de protección catódica debe incluir todas las partes del sistema de almacenamiento. Esta sección discute los parámetros particulares que deben ser considerados, y que no fueron discutidos en la sección 5, para determinar si el fondo de un tanque de acero requiere protección catódica.

15.2.1

Limitaciones Para la Aplicación de Protección Catódica a Fondos de Tanques Muchos factores podrían reducir ó eliminar el flujo de corriente eléctrica entre el ánodo y el cátodo y, por consiguiente, limitar la efectividad de la protección catódica en algunos casos ó evitar su uso en otros. Tales factores incluyen: a. b. c. d.

15.2.2

Las fundaciones de concreto, asfalto ó arena con RC2. Una membrana impermeable entre el fondo del tanque y los ánodos tales como sistemas de contención secundarios. Suelos con alta resistividad o fundaciones rocosas. Fondos de tanques viejos dejados cuando el fondo actual fue instalado.

Protección Catódica Interna de Tanques

Los fluidos de hidrocarburo normalmente no son corrosivos y no requieren el control de corrosión para las superficies internas. Sin embargo, basado en la experiencia, puede ocurrir corrosión interna en tanques para almacenamiento que tienen las superficies expuestas al agua, sedimentos u otros contaminantes. Generalmente, se utilizan revestimientos para reducir ó eliminar la corrosión en estas superficies (ver Norma PDVSA O-201). Para los tanques de almacenamiento de petróleo, el uso de protección catódica interna en conjunto con revestimientos no es práctica común, pero en ciertas condiciones puede ser efectivo y su aplicación queda a criterio del personal encargado del control de corrosión.

15.2.3

Protección Catódica Externa de Fondos de Tanques

15.2.3.1 Tanques Nuevos El control de corrosión con protección catódica para los tanques nuevos de almacenamiento debe proporcionarse en el diseño inicial del tanque, a menos que la data de corrosión recogida en campo indique que no se requiere la protección catódica.

15.2.3.2 Tanques Existentes


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Se deben hacer análisis, dentro de un marco de tiempo conveniente, para determinar la necesidad de protección catódica. Cuando estos estudios indiquen que esa corrosión afectará el funcionamiento seguro ó la continuidad operacional del sistema de almacenamiento, deben utilizarse las medidas de control de corrosión adecuadas siguiendo las recomendaciones dadas en la sección 6 de este documento.

15.3 CONDICIONES DEL SUELO Y FUNDACIONES Debido a la gran variedad de superficies, subsuperficies y las condiciones climáticas, los tanques para almacenamiento se construyen sobre diferentes tipos de fundaciones. El material sobre el cual descansa el fondo del tanque tiene un efecto significante en la corrosión externa de éste y puede influir en la efectividad y aplicabilidad de protección catódica externa. Es muy importante asegurarse que no haya ningún desecho como madera, electrodos de soldadura, piedras ó arcilla en el material de relleno. El tamaño de las partículas de este material debe ser lo más uniformemente posible y con una granulometría fina que le proporcione una mayor densidad, para ayudar a reducir la entrada y salida de oxígeno desde el perímetro durante las operaciones de vaciado o llenado del mismo. Es importante también, que los tanques se construyan sobre un nivel más elevado para permitir el desagüe adecuado fuera del fondo del tanque.

15.3.1 Resistividad La resistividad de la tierra proporciona una valiosa información sobre el nivel de corrosividad del material utilizado debajo y alrededor de un fondo de tanque. Ver la sección 6.1.1 de este documento .

15.3.2 Fundación Con Placa de Concreto 15.3.2.1 Los fondos de tanques soportados sobre placas de concreto debidamente diseñadas y fabricadas, y en subsuelos con adecuada preparación, pueden ser efectivos contra la corrosión externa eliminando la necesidad de protección catódica. La preparación del suelo que soportará la placa de concreto es muy importante ya que asegura la continuidad de ésta. Un suelo inestable puede inducir grietas en el concreto a través del cual permeará agua y contaminantes hacia el fondo del tanque generando un ambiente corrosivo. De igual manera, la entrada de estas sustancias corrosivas puede ocurrir por la periferia del tanque. La protección catódica no es considerada un medio efectivo para combatir esta corrosión. 15.3.2.2 Aunque la corrosión producida por el suelo pudiera ser prevenida por la placa de concreto, entre ésta placa y el fondo metálico del tanque podría generarse una mezcla de oxígeno, agua y otros contaminantes ocasionando un proceso de corrosión atmosférica acelerada.

15.3.3 Fundación Con Asfalto 15.3.3.1 Una capa de asfalto nuevo puede proveer muchas de las mismas ventajas y desventajas que una placa de concreto reduciendo la corrosión y eliminando la necesidad de protección catódica. Posiblemente sea más


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importante para el asfalto que para el concreto un programa de mantenimiento para prevenir las grietas y acumulación de agua entre el pavimento y el fondo del tanque, debido a que el asfalto no es inherentemente alcalino y, por consiguiente, no tiene la capacidad de prevenir la corrosión en caso de existir grietas. 15.3.3.2 El asfalto se degrada con el tiempo y puede proporcionar un paso al agua y químicos disueltos que harán contacto con el acero del fondo del tanque, permitiendo que ocurra la corrosión. En este caso la protección catódica, si se aplica, pueda ó no ayudar a detener la corrosión. De hecho, el asfalto dañado puede generar un efecto pantalla en la corriente de protección catódica de la misma manera que un revestimiento desprendido en una tubería.

15.3.4 Fundación Directa Sobre Suelo Nativo Los análisis de suelo son a menudo una prueba útil para ayudar a determinar si la actividad del potencial de corrosión será suficientemente alta para requerir protección catódica y si la protección catódica será práctica para prevenir la corrosión. Estas características son indicadas en la sección 6.1.1.

15.3.5

Fundación Directa Sobre Arena Limpia Mezclada Con RC2

La arena limpia es el material más comúnmente utilizado como fundación debajo de los fondos de tanques de almacenamiento. Su uso normalmente no elimina la necesidad de protección catódica debido a que la corrosión puede ocurrir por la filtración de agua de lluvia o un nivel freático poco profundo. En la sección 6 se indica el análisis químico para determinar los contaminantes corrosivos de la arena y la Tabla 13 presenta una guía para interpretar los datos de este análisis químico.


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Tabla 13 – Datos de Análisis de Tierra Componente pH Cloruros Sulfatos Fuente: API RP-651

Corrosivo 5,0 – 6,5 300 – 1000 PPM 1000 – 5000 PPM

Muy Corrosivo <5,0 > 1000 PPM >5000 PPM

La presencia de la mezcla de arena con RC2 bajo los fondos de los tanques, no ha sido comprobada como una medida eficaz de control de corrosión y por lo tanto no se elimina la necesidad de protección catódica.

15.4

FACTORES QUE DEBEN SER CONSIDERADOS

15.4.1 Contenido del Tanque El contenido de un tanque de almacenamiento puede influir en la corrosión del fondo del tanque. En los tanques que almacenan productos calientes puede ocurrir corrosión acelerada en la superficie externa del fondo del tanque debido a las temperaturas elevadas y a la humedad externa. En estos casos la estructura puede requerir un aumento en la densidad de corriente para lograr los niveles de protección adecuados en su superficie externa. Inversamente, el calor transmitido a través del fondo del tanque hacia una fundación bien drenada podría secar el terreno aumentando su resistividad y reduciendo la necesidad de protección catódica.

15.4.2 Reinstalación de Fondos de Tanques El reemplazo de los fondos de tanques, instalados sobre un fondo original existente es una práctica aceptada por la Industria y por las diferentes Normas y Estándares internacionales que rigen la construcción de tanques de almacenamiento.

15.4.2.1 Si entre ambos fondos hay un electrolito, la experiencia industrial ha demostrado que se puede desarrollar un proceso de corrosión galvánica en detrimento del fondo nuevo, dando lugar a una falla prematura de éste. 15.4.2.2 En el caso que se requiera aplicar protección catódica al fondo nuevo, los ánodos y electrodos de referencia permanentes deben ser instalados entre los dos fondos (ver Fig. 1). 15.4.2.3 Se puede instalar una membrana impermeable no conductora sobre el fondo viejo, para reducir la actividad de la corrosión galvánica o el consumo de corriente requerida para dar protección catódica. 15.4.2.4 Entre los dos fondos de tanques se puede instalar, durante la construcción del fondo nuevo, una malla de cintas de titanio que actuará como un ánodo continuo del sistema de protección catódica por corriente impresa (ver Fig. 2).


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Fig. 1: Configuración para la Instalación de Ánodos en Tanques con Doble Fondo LOS ANODOS DEBEN SER INSTALADOS ENTRE LOS DOS FONDOS

LA CORRIENTE RETORNA AL RECTIFICADOR, SIN DAR PROTECCIÓN AL FONDO NUEVO

FONDO NUEVO FONDO VIEJO

CORRIENTE

EN SISTEMAS CONVENCIONALES DE PC, EL FONDO VIEJO ACTUA COMO ESCUDO DE LA CORRIENTE HACIA EL NUEVO FONDO

15.4.3 Sistemas Secundarios de Contención Los sistemas secundarios de contención son utilizados para reducir el riesgo de contaminación ambiental en el caso de fuga. Estos métodos incluyen, pero no se limitan a: a. b. c.

Capa impermeable de arena (bentonita) en el área del dique. Diseño de doble fondo. Membrana no metálica impermeable.

15.4.3.1 Si se utiliza una membrana impermeable como sistema secundario de contención en forma local o sobre toda el área del dique antes de construir el nuevo tanque, la opción de un sistema de protección catódica estará severamente limitada, porque la membrana actúa como una barrera al flujo de corriente eléctrica necesaria para la protección. Otra consecuencia de estos sistemas de contención, es que pueden atrapar líquidos corrosivos que aumentan los niveles de corrosión del fondo del tanque. 15.4.3.2 Si debajo del fondo del tanque se coloca una capa de bentonita como sistema secundario de contención, ésta no afectará significativamente la operatividad de los sistemas de protección catódica convencionales. 15.4.3.3 Para los casos donde se aplique diseño de doble fondo, ver la sección 15.4.2.


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15.4.3.4 Para instalar un sistema de protección catódica por corriente impresa a un tanque existente, construido sobre un área con membrana de contención, una opción es instalar los ánodos en hoyos de poca profundidad angulares (entre 30 y 45 grados) u horizontales, taladrados desde la periferia del tanque. Esto es posible solamente si hay suficiente profundidad entre el fondo y la membrana para que la integridad de dicha membrana no se vea comprometida. En las Figuras 3 y 4 se muestra una instalación típica de ánodos. 15.4.3.5 Los fondos de tanques nuevos construidos sobre un área para tanques con membrana de contención pueden ser protegidos con un sistema de protección catódica por corriente impresa, utilizando ánodos de malla de cintas de titanio instalada durante la construcción (ver Fig. 2). Fig. 2: Diseño Típico con Ánodos de Metal Revestido para un Tanque Nuevo o con Doble Fondo ANODOS DE CINTAS DE METAL. REVESTIDO

BARRAS DE ALIMENTACIÓN

3

CAJA DE CONEXIÓN

2 ANILLO

DEL TAN QU E

RECTIFICADOR

1

ELECTRDO DE REFERENCIA


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Fig. 3: Instalación de los Ánodos en Sistema de Almacenamiento con Membrana de Contención LOS ÁNODOS DEBEN ESTAR INSTALADOS ENTRE EL FONDO DEL TANQUE Y LA MEMBRANA CABLES POSITIVOS AL RECTIFICADOR

RE CTI FIC AD OR

CORRIENTE DE PROTECCIÓN CATÓDICA DESDE LECHOS CONVENCIONALES

MEMBRANA INPERMEABLE

Fig. 4: Arreglo Típico Para la Instalación de Ánodos en Posición Angular

_

CABLE DE ALIMENTACIÓN DE ÁNODOS

X X

+

X ÁNODOS

X

ANODOS

X

TANQUE

X

X X

CAJA DE CONEXIÓN


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15.5 TIPOS DE PROTECCIÓN CATÓDICA APLICABLES La protección catódica es un método ampliamente aceptado para el control de la corrosión de fondos de tanques. Básicamente se aplican las mismas técnicas de protección catódica que fueron tratadas en las secciones 7 y 8.

15.5.1 Consideraciones de Diseño para Ánodos Galvánicos A continuación se dan algunas consideraciones particulares que deben tomarse en cuanta antes de iniciar el desarrollo de un sistema de protección catódica galvánica para el fondo de tanques. 15.5.1.1 La instalación de los lechos o ánodos individuales debe hacerse alrededor del tanque y debajo de éste (para el caso de construcciones nuevas) uniformemente distribuidos, para lograr una mejor distribución de la corriente y una polarización más uniforme del acero. 15.5.1.2 El tiempo de vida útil de los sistemas de protección galvánica para fondos de tanques, no debe ser menor a 20 años. La protección catódica por corriente galvánica es indicada en la sección 7.

15.5.2 Consideraciones de Diseño para Corriente Impresa Es la técnica de protección catódica más comúnmente usa para proteger fondos de tanques, interno y externo, ya que permite proteger una mayor área superficial para un tiempo de vida útil más prolongado. La protección catódica por corrientes impresa es discutida ampliamente en la sección 8 y 10.

15.6

PUESTA EN MARCHA Y PRUEBAS

Cada diseño particular de protección catódica debe incluir el procedimiento para la puesta en marcha y las pruebas necesarias antes y después del arranque del sistema. Debe especificar también, el o los criterios de protección aplicables.

16

ESTRUCUTURAS COSTA AFUERA PRODUCCIÓN DE PETROLEO Y GAS

ASOCIADAS

CON

16.1 GENERAL El propósito de esta sección es establecer los requerimientos mínimos necesarios para el control de la corrosión a través de sistemas de protección catódica en las estructuras de acero de muelles y plataformas marinas utilizadas para el manejo de petróleo y gas. Estas estructuras pueden ser; acero estructural estacionario del muelle o plataforma y la parte externa de los equipos fijados al fondo marino por gravedad, pilotes y/o cables de amarre.


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Este documento aplica para el diseño contra la corrosión de la zona sumergida únicamente. La protección de las zonas de salpique y atmosférica no será mencionada en esta especificación. No se dan lineamientos de diseño para situaciones específicas por las variadas condiciones ambientales, pudiendo haber varias soluciones al problema. Cada diseño particular, bajo esta especificación o con desviaciones de ella, debe ser desarrollado por un profesional de la ingeniería de corrosión con amplia experiencia en protección catódica.

16.2 PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA DE ESTRUCTURAS COSTA AFUERA 16.2.1 Consideraciones Iniciales En el diseño de un sistema de protección catódica para estructuras de muelles y plataformas marinas, las condiciones ambientales deben estar sobreentendidas pero se deben dar las siguientes consideraciones: 16.2.1.1 La selección de materiales, equipos y prácticas de instalación que permitan una instalación y operación segura del sistema de protección catódica. 16.2.1.2 La selección de materiales y los procedimientos de instalación conformes con los códigos y normas aplicables; Normas nacionales, especificaciones PDVSA, NACE International y API. 16.2.1.3 La selección y diseño del sistema de PC para su óptima y económica instalación, mantenimiento y operación. 16.2.1.4 Selección de un sistema que minimice las densidades de corriente de protección o excesivos gradientes de potencial que puedan tener efectos dañinos sobre los revestimientos o sobre estructuras vecinas enterradas o sumergidas. 16.2.1.5 Iniciar la evaluación en conjunto para determinar posibles efectos de el sistema de PC propuesto sobre las estructuras de otros (o futura instalación) en las proximidades.

16.2.2

Condiciones del Area de Construcción Además de las dadas en la sección 6 se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos: a. Nivel de agua. b. Nivel de barro. c. Profundidad del agua, contenido de oxigeno, velocidad, turbulencia, temperatura, resistividad del agua, efectos de marea, arena y sólidos suspendidos.


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16.2.3

Historial de Operación, Datos de Campo y Pruebas de Corrosión

Se deben llevar a cabo las pruebas de campo especificadas en la sección 6 de este documento, en este caso referidas a una zona sumergida (agua de mar) y una zona enterrada (nivel de barro).

16.3 TIPOS DE SISTEMAS PARA PROTECCIÓN CATÓDICA 16.3.1

Sistemas Galvánicos

16.3.1.1

Los ánodos galvánicos pueden ser aleaciones de Zinc, Magnesio o Aluminio, siendo este último el más utilizado por su buen rendimiento en agua de mar (en la sección 7 de esta norma se especifican los materiales para ánodos galvánicos). Estas aleaciones pueden ser de diferentes formas y tamaños, de acuerdo a la densidad y distribución de corriente necesaria para proteger una estructura específica. El método para anexar los ánodos a la estructura va ha depender del tipo y aplicación, pero se debe mantener la condición de baja resistencia en el contacto eléctrico durante el tiempo de vida útil de los ánodos.

16.3.1.2

Para estructuras recubiertas, el material del ánodo galvánico debe ser capaz de entregar corriente de forma constante descargando densidades de corriente muy bajas durante el tiempo de vida útil del sistema.

16.3.1.3

Los ánodos deben ser soldados sobre la estructura para asegurar tan pronto como sea posible la polarización de los nodos soldados. La polarización de los nodos es de gran importancia para prevenir la formación de discontinuidades tales como socavaciones en la zona afectada por el calor y picaduras en la soldadura. Ambos tipos de corrosión generan puntos concentradores de esfuerzo que pueden inducir agrietamiento por fatiga. Los nodos son también, zonas de gran área superficial metálica y de geometría compleja que requieren una mayor densidad de corriente para su protección y vencer el efecto pantalla. Los procedimientos de soldadura autorizados (WPS) deben estar debidamente calificados (PQR) para asegurar la resistencia mecánica y química requeridas en la soldadura.

16.3.1.4

El núcleo de los ánodos debe ser estructuralmente apto para soportar el peso y las fuerzas a las cuales el ánodo va ha estar sujeto; fuerza de las olas, tormentas, huracanes, etc. Es importante que el núcleo sea capaz de resistir a la fuerza de las olas en las etapas posteriores de consumo, cuando el cuerpo del ánodo presenta menor resistencia que el núcleo.

16.3.1.5

Se deben reforzar los miembros de la estructura para soportar los ánodos galvánicos más grandes. Si es requerido, utilizar en los puntos


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de conexión de los ánodos, pletinas de mayor espesor u otro mecanismo previamente aprobado. 16.3.1.6

Debido a que la eficiencia de algunas aleaciones de aluminio se ve afectada negativamente cuando son cubiertas por el lodo, los ánodos sólo deberán ser instalados en la zona enterrada cuando se halla determinado, a través de ensayos en lodos representativos o por experiencia comprobada, que el material de los ánodos no se pasiva cuando es cubierta por el lodo. En este caso debe considerarse la reducción en la salida de corriente y la disminución de eficiencia de los ánodos cubiertos por lodo.

16.3.1.7

Con la finalidad de monitorear las condiciones mecánicas y parámetros eléctricos del conjunto de ánodos galvánicos en una estructura, se deben instalar ánodos monitores en las áreas de la estructura con mayor riesgo de daño mecánico para el sistema de ánodos. Estos ánodos deben ser montados sobre la estructura, con un mecanismo aislante que permita medir el drenaje de corriente desde la plataforma.

16.3.2

Sistemas por Corriente Impresa

16.3.2.1 El material de los ánodos para corriente impresa puede ser: aleación plomo – plata, metales recubiertos con platino, mezcla de óxidos metálicos, grafito, plomo – platino o fundición de ferrosilicio (en la sección 8 de esta norma se especifican los materiales de ánodos para corriente impresa). 16.3.2.2 La conexión eléctrica entre el cable conductor y el cuerpo del ánodo debe ser impermeable y mecánicamente bueno. 16.3.2.3 El material del aislamiento del cable y la conexión debe ser resistente al cloruro, hidrocarburos y otros agentes químicos nocivos. 16.3.2.4 Se deben tomar medidas preventivas de protección mecánica para el ánodo y el cable de conexión. En los sistemas de tipo suspendidos, los ánodos, individuales o cadenas de ánodos, pueden ser dotados de “winches” u otros medios de recuperación como medidas preventivas de posibles daños durante fuertes tormentas o actividades rutinarias de inspección o mantenimiento. Se debe considerar la pérdida de protección durante estos períodos. 16.3.2.5 Algunos métodos aceptados, pero no limitados, para la instalación de ánodos por corriente impresa en instalaciones costa afuera y muelles son: a. Los ánodos pueden ser instalados en los extremos más bajos de los conduits (el cual protege al cable de conexión). Los conduits deben ser fijados a los miembros no sumergidos de la estructura y soportados en el mismo miembro en la sección sumergida. Los


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ánodos deben ser bajados por dentro del conduit y permitir prolongar un accesorio terminal en el fondo del conduit. Este método permite un medio para la recuperación o reinstalación de ánodos usando el cable del ánodo, sin asistencia de un buzo. b. Los ánodos de configuración delgada con aislantes tipo abrazadera pueden ser anexados directamente a los miembros sumergidos de la estructura, tales como tuberías verticales, las cuales puedan ser removidas para la reinstalación de ánodos. Este tipo de diseño permite la recuperación de ánodos sin la asistencia de un buzo. c. Los ánodos pueden ser fijados sobre miembros sumergidos de la estructura usando los soportes salientes anexos a la estructura. Se necesita la asistencia de un buzo para este tipo de instalación de ánodos. d. En casos especiales los ánodos pueden ser instalados en el fondo del océano. Los ánodos son montados sobre rastras de concreto especialmente diseñadas para su estabilidad, esto minimiza la posibilidad de que vayan a ser cubiertos con lodo o cieno. El acero de refuerzo en el concreto esta sujeto a corrosión por interferencia de corriente. 16.3.2.6 Los ánodos de corriente impresa deben ser ubicados a una distancia adecuada de cualquier miembro de la estructura (usualmente a una distancia mínima de 1,50m pero proporcional a la magnitud de corriente). Si no se puede mantener esta distancia mínima de 1,50m se debe usar una pantalla dieléctrica para minimizar la pérdida de corriente protectora por sobreprotección localizada. Las abrazaderas de ánodos deben ser utilizadas para eliminar esta pérdida y minimizar la posibilidad de un corto circuito entre el ánodo y la estructura. El desempeño satisfactorio de revestimientos usados como pantallas catódicas no ha sido totalmente demostrado durante períodos largos de tiempo. El espaciado apropiado entre el ánodo y el cátodo es el método preferido para asegurar una buena distribución de corriente de los ánodos.

16.3.3

Combinación Entre Ambos Métodos

16.3.3.1 Una combinación de ambas técnicas se puede dar durante la construcción de la estructura y/o durante el tiempo que va ha permanecer inoperante el sistema por corriente impresa. 16.3.3.2 Si la porción galvánica del sistema es más pequeña que un sistema convencional de largo tiempo, éste requerirá un cuidadoso diseño para asegurar una adecuada cantidad y distribución de corriente.


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16.4 FACTORES QUE DETERMINAN EL REQUERIMIENTO TOTAL DE CORRIENTE PARA SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATODICA 16.4.1 16.4.1.1 16.4.1.2 16.4.1.3 16.4.1.4

Area Total a Proteger Area sumergida (en contacto con el agua). Area enterrada (por debajo del nivel de lodo). En plataformas para perforación de pozos, el número actual y proyectado de tuberías conductoras a ser instaladas. Estructuras vecinas sin protección y sin aislamiento.

16.4.2

Cálculo de la Densidad de Corriente de Protección Mínima Requerida

16.4.2.1

Las densidades de corriente promedio empleadas históricamente para la protección de la zona sumergida de estructuras abiertas al mar esta en el rango de 55 a 430 mA/m 2. En la tabla N° 2 se dan valores típicos de varias zonas a escala mundial. Alternativamente, basado en datos de campo y resultados de pruebas en laboratorio, fue propuesto (por Hartt y Lemieux) que la densidad media de corriente de diseño, i m, puede ser calculada a través de la ecuación N° 1. (1)

im =

10(a + Cδ) x Td b+1

fuente NACE RP0176

donde: 1 2

3 4

δ = desviación estándar de los datos de i m. Td = tiempo de vida útil. c = factor de seguridad como múltiplo de δ. a y b = son constantes. Los valores para a, b y δ fueron determinados para agua fría y caliente según se muestra en la tabla N° 1. El valor de c es seleccionado basándose en el factor de seguridad que esta apropiadamente ajustado con respecto a los excesos del sistema. El mismo fue presentado para que los valores im de diseño de la tabla 2 en lugares de agua fría correspondan a c ~ 1, por cuanto las densidades de corriente en la tabla 2 exceden los valores de i m proyectados por la ecuación 1 para lugares con agua caliente aun con c = 2, que abarca 97,50 % de los datos. En las costas venezolanas la densidad de corriente, por experiencia, para proteger estructuras en la zona sumergida es de 80 mA/m 2.


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Tabla 14 - Parámetros de Diseño Sugeridos Para la Ecuación 1 Constante

Caliente/Aguas Poco Profunda

Frío/Aguas Profundas

δ

0,233

0,229

a

3,130

2,820

b

-0,410

-0,226

16.4.2.2

Los valores típicos de densidades de corriente para la zona enterrada están entre 10 y 30 mA/m 2.

Tabla 15 - Criterios de Diseño Para Sistemas de Protección Catódica Area de Producción Golfo de Mexico Costa Occidental US Mar del Norte

Resistividad Temperatura Factores Ambientales del Agua del Agua (°C) Turbulencia Velocidad (ohm-cm)

Densidad de Corriente mA/m2 Inicial Media Final

20

22

Moderada

Moderada

110

55

75

24

15

Moderada

Moderada

150

90

100

26 a 33

0 a 12

Alta

Moderada

180

90

120

Golfo Arábico

15

30

Moderada

Baja

130

65

90

Australia

23 a 30

12 a 18

Alta

Moderada

130

90

90

Brasil

20

15 a 20

Moderada

Alta

180

65

90

Africa Occidental Indonesia

20 a 30

5 a 21

Baja

Baja

130

65

90

19

24

Moderada

Moderada

110

55

75

Mar del Sur 18 Chino Fuente NACE RP0176

30

Baja

Baja

100

35

35

16.4.2.3 En el caso de plataformas de perforación se debe considerar la carga de corriente impuesta por las camisas de los pozos enterradas, y asignarla a la corriente de diseño para compensar la densidad de corriente total requerida. Los valores de corriente van de 1,50 a 5 A por pozo. 16.4.2.4 Cuando no se conoce el espesor de la capa de lodo en las áreas de muelles, se debe compensar la corriente de diseño incluyendo el consumo de corriente del área enterrada de los pilotes. Los valores típicos son de 1,50 a 5 A por pilote.


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16.4.3

Eficiencia en la Distribución de la Corriente

16.4.3.1 Se puede lograr una mayor eficiencia en la distribución de la corriente usando un mayor número de ánodos con baja salida de corriente. El uso de recubrimientos sobre la estructura mejora la distribución de corriente. 16.4.3.2 Los sistemas galvánicos están concebidos como numerosas y pequeñas fuentes de corriente (generalmente de 3 a 6 A cada uno), logrando una máxima eficiencia en la distribución de corriente. Cuando estos ánodos son montados por lo menos a 30 cm de los miembros de la estructura, se asume, desde el punto de vista de diseño, una distribución uniforme de la corriente. 16.4.3.3 Los ánodos de corriente impresa son más pequeños en número y diseñados para tener una mayor capacidad de salida de corriente que los ánodos galvánicos, normalmente presenta una reducida eficiencia en la distribución de corriente. Estos ánodos pueden ser diseñados para descargar desde 30 a 200 A cada uno. Esta condición resulta en una sobreprotección de las superficies metálicas cercanas. Para compensar las desviaciones en la distribución de corriente, se debe usar un factor de eficiencia (en el rango de 67 a 80%). Los sistemas de protección catódica por corriente impresa serán dimensionados para entregar entre 1,25 y 1,50 veces la cantidad de corriente total calculada, a través de las áreas superficiales y la selección de densidades de corriente de diseño. 16.4.3.4 Para cualquier sistema, galvánico o por corriente impresa, los ánodos deben ser distribuidos horizontal y/o verticalmente de acuerdo con los requerimientos de corriente calculados.

17

PROTECCIÓN DE EMBARCACIONES La protección externa de los cascos de unidades flotantes (gabarras, remolcadores y lanchas) se debe principalmente a los revestimientos. Sin embargo, el recubrimiento puede ser removido en áreas localizadas debido a daños mecánicos. Algunas zonas de las embarcaciones, tales como el marco de la hélice y el borde delantero del timón, son comúnmente afectadas por problemas de corrosión por erosión. En este sentido, es necesaria la protección catódica para prevenir y reducir la corrosión. Los aspectos y condiciones necesarias que determinan el diseño de sistemas de protección catódica de unidades flotantes, se detallan en la norma PDVSA PI-05-03-04 “Protección Catódica Galvánica en Cascos de Gabarras”, del Manual de Inspección, Vol. 3.


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18 PROTECCION DE INTERCAMBIADORES DE CALOR 18.1 Cajas Enfriadoras (Box Coolers) 18.1.1 General Debido a la alta temperatura y a los altos requerimientos de corriente, un sistema de corriente galvánico es lo más recomendado para la protección catódica de las cajas enfriadoras. La cantidad de ánodos a utilizar debe ser limitada por razones hidrodinámicas y de mantenimiento. Los ánodos más comúnmente usados son de aluminio-indio, manteniéndose un monitoreo continuo de desempeño para programar su reemplazo. 18.1.2 Requerimientos de Corriente Cuando se usa agua de mar como medio de enfriamiento a temperaturas por encima de 45°C, la densidad de corriente requerida para una adecuada protección catódica del acero es de 110 a 220 mA/m 2; requiriendo mayor cantidad de ánodos a medida que la temperatura aumente. Por otro parte, las paredes de una caja enfriadora normalmente se revisten internamente de concreto o epoxi cerámico, para reducir los requerimientos de corriente. Los puntos de medición de potenciales deben ser ubicados lo más lejano posible de los ánodos, con el fin de verificar la protección total de la estructura.

18.2 Intercambiadores de Calor de Carcaza y Tubo 18.2.1 En intercambiadores de calor donde se encuentren partes de acero al carbono y se maneje agua fresca, se deben proteger con ánodos de cinc (Zn) o Magnesio (Mg); y donde se maneje agua salada se emplearán ánodos de aluminio-indio. 18.2.2 En enfriadores, condensadores e intercambiadores construidos de aleaciones no ferrosas como Ni-Al, Al brass (latón al Al) y bronce, deben protegerse con ánodos de hierro. Los ánodos de hierro ofrecen, además de la protección catódica, una mayor resistencia al esfuerzo de corte en la entrada del agua en la placa de tubos y en los tubos internamente, obtienen una mayor resistencia a la erosión por efectos de la velocidad del agua.


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En ambos casos (18.2.1 y 18.2.2), deben ser colocados en la zona de máxima turbulencia para mantener despolarizada la superficie.

19 SUPERFICIE EXTERNA DE CAMISAS DE POZOS PARA LA EXTRACCIÓN DE PETROLEO Y GAS 19.1 GENERAL Esta sección presenta procedimientos de diseño para el control de la corrosión externa en camisas de acero de pozos para la producción de gas y petróleo, aplicando protección catódica. En éste documento se establecen los requerimientos mínimos necesarios para el control de la corrosión a través de sistemas de protección catódica cuando estos tienen una aplicación práctica y económica. No se dan guías de diseño para situaciones específicas debido a la complejidad de algunas áreas de perforación tales como: espaciamiento entre pozos, proximidad subsuperficial entre pozos y condiciones ambientales. Cada diseño particular, bajo esta especificación o con desviaciones de ella, debe ser desarrollado por un profesional de la ingeniería de corrosión con amplia experiencia en protección catódica de camisas para pozos petroleros. Este estándar aplica únicamente para la parte exterior de las camisas de pozos y no para corrosión interna o para el control de corrosión de otras superficies o equipos enterrados.

19.2 DETERMINACIÓN CATÓDICA

DE

LAS

NECESIDADES

DE

PROTECCIÓN

19.2.1 Procedimiento para Determinar la Probabilidad o Velocidad de Corrosión de un Sistema de Camisas de Pozos Determinado a. Estudio del historial de corrosión de la camisa o de otros sistemas del mismos material en ambientes similares. El historial debe incluir la frecuencia acumulada de fugas. b. Se debe hacer un estudio del ambiente alrededor del pozo. Una vez que se determine la naturaleza del ambiente, se puede determinar su corrosividad por referencia a los niveles de corrosión en otros pozos expuestos al mismo ambiente. Se debe recordar que los cambios en las formaciones de agua causados por los métodos de producción o inyección pueden ser factores contribuyentes a la corrosividad. c. Las camisas de pozos deben ser inspeccionados por medios mecánicos o eléctricos para determinar la existencia de corrosión. La inspección electromagnética ayuda a determinar la necesidad de protección catódica o para determinar la efectividad del sistema de protección catódica después de instalado. Esta técnica se divide en


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dos grandes campos; inducción de un campo electromagnético AC en la pared de la camisa y la inducción de un campo electromagnético DC en la pared de la camisa. d. Las camisas de pozos deben ser inspeccionadas para determinar si hay áreas anódicas. Una herramienta comúnmente utilizada para realizar esta investigación es el medidor de perfil de potencial de la camisa del pozo. e. Revisar los registros de mantenimiento para determinar la localización de fugas y datos de espesor de pared, los cuales pueden ser usados como una guía para localizar áreas de máxima corrosión.

19.2.2

Factores Físicos y Ambientales

19.2.2.1 La caracterización del producto que se está produciendo. 19.2.2.2 Localización del sistema de pozos en un área escasamente o densamente poblada. 19.2.2.3 Ubicación del sistema de pozos relativa a otras facilidades. 19.2.2.4 Influencia de fuentes externas DC.

.2.3

Factores Económicos

19.2.3.1 Costos de mantenimiento para reparación de fugas por corrosión, reacondicionamiento o reinstalación de todas las partes del sistema. 19.2.3.2 Costos de contingencia en los que se pueda incurrir por fallas de corrosión. 19.2.3.3 Los costos usuales para la protección de camisas de pozos son los costos de instalación y operación de la protección catódica. Otros costos asociados a la prevención de la corrosión son: a. Los inhibidores y bactericidas usados en los fluidos de perforación. b. Materiales resistentes a la corrosión. c. Cementación de zonas conocidas como corrosivas. d. Revestimientos dieléctricos sobre la superficie externa de la camisa.

19.3 OBJETIVOS DEL DISEÑO DE PROTECCIÓN CATÓDICA Básicamente, el diseño de sistemas de protección catódica para camisas de pozos persigue los mismos objetivos que la protección catódica de otras estructuras, tal y como se describe en la sección 6.

19.6 MÉTODOS PARA DETERMINAR CORRIENTE DE DISEÑO

LOS

REQUERIMIENTOS

DE


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19.4.1

La densidad de corriente promedio puede ser usada para calcular la cantidad de corriente requerida para prevenir la corrosión externa. La densidad de corriente usada va ha depender de las condiciones particulares de cada pozo (prácticas de cementación, formación de resistividades, salinidad del agua, etc.). La densidad de corriente usualmente varia entre 1 y 20 μA/cm 2.

19.4.2

Método de E (potencial) vs Log I (corriente).

19.4.2.1

El principio de este método es que cuando la corriente es impresa a través de la tierra hacia la camisa metálica, el potencial entre la camisa y el electrodo de referencia es variado. El potencial que varía para un nivel de corriente dado depende de los siguientes factores: a. El tiempo durante el cual la corriente es aplicada. b. La densidad de corriente, la cual es afectada por factores tales como la profundidad del pozo, el tamaño de la camisa y la cementación. c. Las propiedades del electrolito. d. La polarización de la estructura.

19.4.2.2 Para realizar esta prueba se debe construir un sistema temporal de protección catódica, imprimiendo un cierto nivel de corriente (0,1 A) durante un tiempo determinado (3 min). 19.4.2.3 Se interrumpe la corriente y se toma el potencial “instant – off”. La interrupción no debe durar más de dos segundos. 19.4.2.4 La variación de los niveles de corriente deben ser más altos, generalmente de 0,1 A se incrementa a 2 A. Los intervalos de tiempo se deben mantener durante toda la prueba. 19.4.2.5 Los valores de corriente aplicada y potencial camisa – electrolito son graficados en escala semilogarítmica, E vs Log I. La curva obtenida será 0.70 una parábola como la Figura 5. La corriente requerida es el punto de intersección A o el primer punto graficado sobre el segmento de Tafel, B. 0.72 0.74

Figura 5 - Ejemplo del Gráfico Obtenido por el Método E – Log I (NACE RP0186) P O T E N C I A L N E G A T I V

0.76

0.1

0.2

0.5

CORRIENTE (A) 1.0 2.0 5.0

10.0 20.0

50.0

0.78 0.80 0.82

INTERSECCIÓN

A

0.84 0.86 0.88 0.90

B


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REVISION FECHA 1 JUN.04 Página 77 PRIMER PUNTO SOBRE EL SEGMENTO DE TAFEL

19.5 TIPOS DE SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA Para este manual solo serán aplicables sistemas por corriente impresa para la protección de camisas de pozos. Y según el tipo de lechos estos podrán ser: a. Lechos superficiales o semiprofundos y Lechos profundos b.

19.6 CONSIDERACIONES PARA CORRIENTE IMPRESA

EL

DISEÑO

DE

SISTEMAS

POR

19.6.1 Ubicación de los lechos y corriente total requerida. 19.6.2 Los lechos profundos pueden ser usados cuando la litología impida la distribución equitativa de corriente hacia la profundidad total de la camisa. Colocando los ánodos en formaciones poco profundas y relativamente de baja resistividad comparadas con formaciones profundas, podría concentrar excesiva corriente sobre las secciones superiores de la camisa y privar a las porciones profundas de suficiente corriente. 19.6.3 Instalar los ánodos demasiado cerca de los pozos puede impedir el flujo de corriente hacia las secciones menos profundas. Si se incrementa la corriente podría crearse interferencia de corriente con otros pozos y estructuras. 19.6.4 El desempeño de los ánodos colocados vertical u horizontalmente puede ser afectado por el espaciamiento entre ellos. En un suelo de una resistencia conocida, la salida de corriente de un lecho puede ser mejorada incrementando el espacio entre ánodos.

19.7 CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA LA APLICACIÓN DE PROTECCION CATODICA A VARIOS POZOS 19.7.1

Varios pozos pueden ser protegidos catódicamente como a una unidad con las estructuras y tuberías asociadas, usando uno o más rectificadores lechos. Se debe asegurar una distribución de corriente adecuada a lo largo de cada pozo. a.

Las camisas en un grupo pueden variar en longitud.


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b.

Las separaciones entre pozos pueden variar.

c.

Los pozos con idéntico procedimiento de construcción e igual longitud de las camisas pueden tener diferentes requerimientos de corriente.

19.7.2.

Los requerimientos de corriente y la resistencia eléctrica de cualquier conexión de tubería, cuando es usada como un retorno negativo al rectificador, puede limitar la cantidad de corriente que alcanza las camisas del pozo.

19.7.3.

Si se determinan interferencias eléctricas perjudiciales, cada sistema de protección catódica debe ser diseñado para contrarrestar los efectos.

19.7.4.

Los diseños de protección catódica varían de acuerdo a los parámetros de campo. Los diseños más efectivos consideran: a. Cantidad total de corriente requerida para las camisas y otras estructuras. b. Resistividad del suelo para la instalación de ánodos. c. Ubicación de las camisa de los pozos con respecto a las tuberías y otras estructuras. d. La demanda individual de corriente de cada pozo.

19.7.5 Opciones de diseño para estos sistemas de protección catódica a. Un rectificador y un lecho para uno o varios pozos. b. Un rectificador y más de un lecho para varios pozos. c. Más de un rectificador y un lecho para varios pozos. 19.7.6 Los lechos aislados eléctricamente o distantes pueden requerir un sistema de protección catódica separado.

20

PRECAUSIONES DE SEGURIDAD Como la protección catódica hace necesario el uso de equipos eléctricos, deben tomarse ciertas precauciones de seguridad en las áreas peligrosas. Las precauciones de seguridad para el uso de rectificadores, interruptores y cables son igual que para cualquier otro equipo eléctrico. La diferencia potencial entre las estructuras de acero protegidas catódicamente y los medios circunvecino que chocan con otra estructura de acero pueden producir una chispa. Especialmente, los interruptores de contacto, puede producir chispa. La energía liberada por el chispazo esta fuertemente influenciada por los parámetros del circuito como la inductancia, resistencia, potencial aplicado, física aplicada de las superficies en contacto, la tasa de interruptores de contacto, otros, y no es posible predecir sí una chispa incendiaria se producirá en cualquier momento. Se recomienda por lo tanto, que toda instalación de protección catódica debe considerarse como


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potencialmente peligrosa y deben tomarse las precauciones necesarias para evitar cualquier chispa. Al diseñar un sistema de una protección catódica a ser instalado en una área potencialmente peligrosa, deberá consultarse, la última edición de cualquier recomendación aplicable, regulaciones, código de práctica, otras, como por ejemplo: el código de práctica segura en la industria petrolera” y “la guía de seguridad para terminales petroleros internacionales” y sus requisitos o recomendaciones tomadas en cuenta para el diseño y subsecuente funcionamiento del sistema. Antes de separar dos partes de un sistema protegido catódicamente, el punto de quiebre debe ser puenteado por un cable para evitar las chispas. El puente se mantendrá hasta las partes se vuelve a juntarse.

21

CONSIDERACIONES ECONÓMICAS Cuando estructuras o tuberías metálicas están enterradas en suelos agresivos o inmersas en agua salada, agua potable, o salmuera, es recomendable que la protección catódica sea considerada como un complemento del revestimiento como protección anticorrosiva. En el momento del diseño, o cuando sea necesario y posible, se debe considerar el uso de protección catódica. En cualquier caso específico, la justificación económica de la protección catódica puede ser comprobada solo por la comparación del capital y los costos de operación, claro que este sistema contará con una estimación de costo de mantenimiento de largo plazo, que podrían ser mayores si la protección catódica no fuese aplicada. A menudo el costo de un sistema bien diseñado de protección catódica sólo es un pequeño porcentaje de la inversión total de la instalación protegida. Un porcentaje del 5 % se considera realista.

22

REGISTROS Se deben mantener dentro de los archivos de los activos, los documentos de ingeniería relacionados al diseño, construcción y puesta en marcha de los SPC, los cuales deben incluir, como mínimo: 22.1 Datos Correspondientes a la Determinación de las Necesidades de Control de Corrosión. 22.2

Registros Relativos a Facilidades Asociadas al Sistema.

22.3

Registro de los Cálculos de Diseño y Pruebas de Campos

22.4

Planos y Detalles de Construcción e Instalación.

CRITERIOS DE DISEÑO PROTECCIÓN CATÓDICA

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