PROTECCION CATODICA . FUNDAMENTOS . PROTECCION CATODICA CON ANODOS DE SACRIFICIO . PROTECCION CATODICA CON CORRIENTE IMPRESA . INTERFERENCIAS ELECTRICAS . RECTIFICADORES . CRITERIOS DE PROTECCION CATODICA . MONITOREO DE SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA . NUEVAS TECNICAS DE MONITOREO: CIS Y DCVG
FUNDAMENTOS DE CORROSION $ Corrosión: Deterioro de los materiales debido a su interacción, química o
electroquímica con el medio ambiente en que son usados. $ Los fenómenos fenómenos electroquímicos electroquímicos
son transformaciones transformaciones reciprocas de las energías de reacción química y electroquímica, lo cual se puede dar mediante el establecimiento de celdas o pilas electroquímicas. . Ánodo. Es donde el metal se desgasta y produce los electrones . Catódo. Es donde los electrones producidos en el ánodo son consumidos . El medio conductor. Conduce los electrones de los sitios ánodicos a los sitios
Catódicos . El electrolito. Suministra los agentes reactivos que reaccionan catódicamente y
permite el flujo de iones
FUNDAMENTOS DE CORROSION $ Corrosión: Deterioro de los materiales debido a su interacción, química o
electroquímica con el medio ambiente en que son usados. $ Los fenómenos fenómenos electroquímicos electroquímicos
son transformaciones transformaciones reciprocas de las energías de reacción química y electroquímica, lo cual se puede dar mediante el establecimiento de celdas o pilas electroquímicas. . Ánodo. Es donde el metal se desgasta y produce los electrones . Catódo. Es donde los electrones producidos en el ánodo son consumidos . El medio conductor. Conduce los electrones de los sitios ánodicos a los sitios
Catódicos . El electrolito. Suministra los agentes reactivos que reaccionan catódicamente y
permite el flujo de iones
e-
C A T O D O
e-
A N O D O
ELECTROLITO
Representación de una celda electroquímica de Corrosión METALES
Ef
ENERGIA
A I G R U L A T E M
C O R R O S I O N
ENERGIA
MINERAL HIERRO Ei
Ciclo de Producción y Corrosión de materiales
REACCIONES DE CORROSION ø Reacciones ánodicas.
Me
Men+ + ne-
(1)
ø Reacciones Catódicas.
1. Evolución de Hidrogeno. 2H + + 2e-
H2
2. Reducción de oxígeno en soluciones ácidas. O2 + 4H + + 4e2H2O (3) 3. Reducción de oxígeno en soluciones neutras y alcalinas O2 + 2H2O + 4e-
4. Reducción de ion metálico Fe3+ + eFe2+
4OH-
(4)
(5)
(2)
DIAGRAMAS DE POURBAIX . Son diagramas ideales de potencial - pH, que muestran la relación entre estas dos
variables en las diferentes condiciones posibles dentro de un sistema acuoso, mediante líneas de equisolubilidad 1.6 ++
1.2
FeOH
E(V)
Fe
0.8
+++ +
Fe(OH)2
0.4
Fe2O3 +
CORROSION
0 -0.4
Fe
PASIVACION Fe3O4
++
+
-
HFeO2
-0.8
INMUNIDAD
-1.2
Fe -1.6 -2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
pH
Diagrama E - pH para el sistema Fe - H 2O a 25oC Donde se muestran las diferentes zonas de Corrosión, Pasivación e inmunidad
CARACTERISTICAS CORROSIVAS DEL SUELO . POROSIDAD. La reacción catódica principal es la reducción de oxigeno, el cual proviene de la atmósfera, difundiéndose a través de las porosidades que deja el suelo en su estructura.
. HUMEDAD. Como el oxigeno, el agua es indispensable para la ocurrencia de la reacción catódica, además es la que proporciona la conductividad del medio, permitiendo la disolución de sales (cloruros, sulfatos, bicarbonatos, etc.) y la migración de las especies iónicas a través del terreno
. RESISTIVIDAD . Es quizás la característica más significativa en la determinación de la corrosividad de un suelo. Se ha elaborado una clasificación establecida por Water en la cual establece: . Corrosión severa: 0 900Ohm-cm . Moderadamente corrosivos: 2301 5000 Ohm-cm . Ligeramente corrosivos: 5001 10000 Ohm-cm . Pocos corrosivos: Valores mayores a 10000ohm.
. La medición de resistividad en suelos se efectúa por el método de WENNER o de las cuatro varillas (Standard ASTM G-57), R = (P* L /A )
Donde R = Resistencia en Ohm L = Longitud
(6)
P = Resistividad (ohm –cm) A = Área transversal (cm2 )
AMPERIMETRO
FUENTE
CABLES VOLTIMETRO
ELECTRODO DE CORRIENTE
ELECTRODO DE VOLTAJE
P = 2*3.1416*R*S
Medición de resistividad de suelos por el método de WENNER
CARACTERISTICAS CORROSIVAS DEL SUELO . SALINIDAD. Los suelos están constituidos principalmente por sílice, silicato, magnesio, óxido de aluminio y hierro, carbonatos de calcio y magnesio, todos ellos insolubles.
. sales que liberan los cationes Na + , K + , Ca++ , Mg++ , y los aniones Cl- , SO4= y los bicarbonatos que se forman a partir de los carbonatos.
. ACIDEZ. Los suelos poseen un pH que fluctúa entre 5.0 - 9.5 . . La reacción catódica es la reducción de Oxigeno. . Terrenos cenagosos con humus (materia orgánica en descomposición) o ricos en determinadas sales minerales o con fuerte acción bacteriana o con agentes extraños como abonos químicos o contaminantes industriales o domésticos
. POBLACION BACTERIANA . Su efecto es más notorio en suelos que se esperan bajas velocidades de corrosión, especialmente la presencia de bacterias anaeróbicas.
. HOMOGENEIDAD DEL SUELO . A escala micro y macrocoscópica la humedad, el contenido de sales y otras sustancias, la acidez, el grado de contaminación, población bacteriana y la estructura física, pueden variar enormemente a pequeñas distancias dando origen a celdas de concentración
. PARES GALVANICOS. Presentan cuando se ponen en contacto materiales con potenciales electroquímicos diferentes, formando ánodos y catódos.
. CORRIENTES VAGABUNDAS . Las corrientes continuas que circulas a través del suelo, fuera de los circuitos previstos, o corrientes de fuga pueden causar severos daños en las estructuras enterradas.
Ley de Ohm ø Las relaciones entre Corriente, resistencia y voltaje en un circuito están
establecidas por la ley de Ohm. R = (E /I)
(7)
E = Fuerza electromotriz (volts) R = Resistencia (ohms) I = Corriente ( Amperios)
•
E
-
+
Resistencia R
v
Corriente I
Esquema de un circuito eléctrico simple
PROTECCION CATODICA ø Es la reducción o eliminación de la corrosión en una celda electroquímica al hacer que un metal, en todos su puntos, tenga un comportamiento catódico, mediante la imposición de una corriente directa o uniéndolo a ánodos de sacrificio. La protección catódica hace que toda la superficie actúe como un Catódo y que no se presente flujo neto al medio ambiente y que la corrosión no ocurra ELECTROLITO FLUJO DE IONES POSITIVOS
AREAS ANODICAS
AREAS CATODICAS METAL FLUJO DE ELECTRONES
Esquema de flujo de corriente directa en una estructura típica en un proceso de corrosión
PROTECCION CATODICA •
CORRIENTE DE CORROSION (I)
• •
RESISTENCIA ELECTROLITO
• •
+
• •
emf
•
RESISTENCIA POLARIZACION ANODICA
• • • • •
RESISTENCIA POLARIZACION CATODICA
• •
$ La protección catódica de una estructura puede ser producida por dos métodos: Corriente impresa y ánodos de sacrificio CAMA DE ANODOS
FUENTE CORRIENTE DE PROTECCION
TUBERIA (SOLO CATODO)
PROTECCION CATODICA CON ANODOS DE SACRIFICIO 0 Un metal activo como el Magnesio o Zinc son colocados en contacto en un ambiente corrosivo y eléctricamente conectados a la estructura a ser protegida. 0 El ánodo se puede definir como el metal que tiene una diferencia de voltaje con respecto a la estructura que sé esta en proceso corrosivo y que descarga corriente (positiva) que pasa a través del medio ambiente a la estructura. CONECCION METALICA FLUJO DE ELECTRONES LIQUIDO O SOLIDO
+ +
ELECTROLITO
ESTRUCTURA PROTEGIDA ANODO FLUJO DE IONES
Esquema de un sistema de protección catódica utilizando ánodos de sacrificio
PROTECCION CATODICA CON ANODOS DE SACRIFICIO $
Zinc, Magnesio y Aluminio son comúnmente utilizados como ánodos de sacrificio. ø Potencial de salida ø Rata de consumo y resistencia a la polarización (pasivación). ø La diferencia de potencial entre el ánodo y la estructura ø Tener la suficiente energía eléctrica ø Ser eficiente como sea posible,
$ Ventajas ø Operan independiente de una fuente de corriente externa ø Simples de instalar ø No hay posibilidad de conexión incorrecta ø Fácil de obtener un potencial uniforme a lo largo de la estructura ø Difícil de obtener potenciales muy bajos. ø Costos iniciales bajos y bajo mantenimiento ø Alta eficiencia $ Desventajas ø Poca diferencia de voltaje, restringe el uso a ambientes conductores, estructuras recubiertas ø Corriente de salida baja ø Para tuberías con recubrimientos deficientes es impractico
Esquema de un anodo de sacrificio CABLE CONDUCTOR
SELL O
NUCLEO DE ACERO METAL FUNDIDO
ANODO
RELLENO “BACKFILL ŸESO
75%
BENTONITA 20% BOLSA DE TELA
SULFATO DE SODIO 5%
PROTECCION CATODICA CON CORRIENTE IMPRESA , En este caso una fuente externa de corriente directa es conectada entre la estructura a proteger y la cama de ánodos. , los ánodos son forzados a descargar la corriente y se pueden corroer. , Los materiales para los ánodos deben tener bajas ratas de consumo, , Los materiales comúnmente usados como ánodos son la chatarra de acero, fundición, Fe14Si- 3Mo, Grafito, Ti, Ta, platino, Titanio platinizado y cerámicos -
FLUJO DE ELECTRONES
FUENTE DC
+
ELECTROLITO
LIQUIDO O SOLIDO
+ + ESTRUCTURA PROTEGIDA FLUJO DE IONES
CAMA ANODICA
Esquema de un sistema de protección catódica utilizando corriente impresa
PROTECCION CATODICA CON CORRIENTE IMPRESA ø
Los sistemas de protección catódica con corriente impresa requieren de una fuente D.C.
£ £ £ £ £ ø
Transformadores / rectificadores Paneles solares Generadores Celdas Fuel generadores a gas, termoeléctricos
El diseño de un sistema de protección catódica es una tarea muy compleja que requiere de mucha experiencia y conocimiento.
£ £ £ £ £ £ £ £ £
Requerimientos regulatorios Económicos Metal a ser protegido Vida útil del diseño Requerimientos de corriente Variaciones ambientales Efectos de apantallamientos de corrientes Efectos de corrientes extraviadas Recubrimiento
PROTECCION CATODICA CON CORRIENTE IMPRESA
$ Ventajas £ Pueden ser diseñados para un amplio rango de voltaje y corriente £ Alta salida de amperios disponibles de una sola instalación £ Grandes áreas se pueden proteger con una sola instalación £ Salida de voltaje y corriente variable £ Aplicable para terrenos de lata resistividad £ Efectivo para proteger estructuras metálicas sin recubrimiento o en estado defectuoso
£ $ Desventajas £ Pude causar interferencias £ Sujeto a vandalismos o fallas en el sistema de alimentación £ Requiere de inspecciones y mantenimiento periódico £ Requiere de una fuente externa £ Costos de consumo de energía £ Se puede presentar sobre-protección y dañar el recubrimiento
3 ) A ( A D I R E U Q E R E T N E I R R O C
SISTEMAS DE CORRIENTE IMPRESA
2
1 SISTEMAS DE ANODOS DE SACRIFICIO 0
2000
4000
6000
8000
10000
RESISTIVIDAD DE SUELOS Ohm-cm
Guía general para la selección de sistemas de protección catódica
ATENUACION DEL POTENCIAL Y DISTRIBUCION DE CORRIENTE : La corriente no será enviada uniformemente en la tubería, y será máxima para la distancia mínima, donde la resistencia es mínima. DENSIDAD DE CORRIENTE
PARED TUBO
SUELO
POTENCIAL
POTENCIAL MINIMO
DISTANCIA
Diagrama de atenuación de corriente y potencial a lo largo de una tubería
RECUBRIMIENTOS $ Su principal función es el ahorro de la corriente requerida para proteger la estructura metálica.
$ El conjunto recubrimientos y protección catódica protegen con mayor efectiva la estructura metálica. El recubrimiento separa el metal del medio ofreciendo protección excepto en zonas dañadas donde opera la protección catódica.
$ Controlando cualquier corrosión externa en el epicentro del defecto del recubrimiento, el cual es un balance de: $Tamaño del defecto del recubrimiento $Número y proximidad relativa a otros defectos $Efectividad de los sistema de protección catódica $ Si hay poca protección catódica aplicada puede ocurrir la corrosión externa. Pero si hay demasiada corriente de protección aplicada genera una excesiva alcalinidad. Ambos generan aumento del tamaño del defecto y aceleran la degradación.
COSTO DE PROTECCION
COSTO DE RECUBRIMIENTO
C O M BI N A D O
COSTO DE PROTECCION CATODICA
P RO T E C C IO N C AT O D IC A TO RI MI E N R EC U B
100 %
% TUBERIA SIN RECUBRIR
0%
Efecto de combinar recubrimientos y protección catódica en el costo de la protección
INTERFERENCIAS ELECTRICAS ø Una interferencia eléctrica es cualquier alteración eléctrica sobre una estructura metálica en contacto con un electrolito que es causado por una corriente extraviada
ø FUENTES DE INTERFERENCIAS ELECTRICAS DE CORRIENTE £ Corriente directa: (HVDC), sistemas de Protección catódica, equipos de soldadura, sistemas de tracción £ Corriente alterna (líneas de transmisión de alta tensión) £ Corrientes telúricas
ø L as interferencias de corriente directa son las que más afectan los sistemas de protección Catódica y pueden causar problemas de corrosión. ø Se pueden mitigar mediante los siguiente métodos: £ Remover la fuente que lo esta causando £ Uso de blindajes apantallamientos £ Empleo de bonding eléctricos £ Aplicar un recubrimiento en los sitios donde se presentan los picos de corriente sobre la estructura afectada o recubrir la causa de la interferencia
TUBERIA PROTEGIDA
RECTIFICADOR TUBERIA EXTERNA
POTENCIAL
PERFIL DE POTENCIAL TUBERIA EXTERNA
Cambios de corriente y potenciales sobre una tubería externa causado por interferencias
RECTIFICADORES DE PROTECCION CATODICA : Las fuentes de energía más utilizadas en sistemas de protección catódica por corriente impresa son transformadores / rectificadores de corriente alterna, conocidos simplemente como rectificadores. ENTRADA DE FASE AC POLO A TIERRA ENTRE EL PRIMARIO Y SECUNDARIO
-
PUENTE DE RECTIFICACIO N SHUNT
+ A
v (-) A TUBERIA A PROTEGER
(+) CAMA ANODICA
POLO A TIERRA
RECTIFICADORES DE PROTECCION CATODICA AC ENTRADA
ONDA RECTIFICADA DC
+ ELEMENTO DE RECTIFICACION
E
_
TIEMP O
. Diagrama de rectificación de la corriente alterna a corriente directa
,
La máxima conversión teórica posible es calculada de la relación de potencias:
,
% Eficiencia = (Potencia de salida/ potencia de entrada)
,
Los rectificadores los podemos agrupar en dos grandes grupos: los enfriados con aire y los enfriados con aceite
CRITERIOS DE PROTECCION CATODICA ø El proceso de corrosión deberá ser completamente mitigado cuando los cátodos sean polarizados a un potencial igual o más negativo que el potencial del ánodo sobre la superficie del metal que esta siendo protegida. ø Pero este potencial no lo podemos determinar de manera precisa, por lo cual se han tomado unos criterios de aceptación. NACE
ø NACE ha desarrollado una serie de standard para protección catódica que cubre tuberías enterradas y tanques como son la RP0169 (Control of external corrosion on underground or Submerged Metallic Piping Systems ) y RP0285 ( Corrosion control of Underground Storage Tank Systems by Cathodic Protection). ø En resumen existen los siguientes criterios de protección catódica consignados en el NACE Standard TM0497-97Item No. 21231
CRITERIOS DE PROTECCION CATODICA ø Medida de un potencial de -850 mV de potencial (P/S) con protección catódica aplicada ø Medida de un potencial polarizado negativo de 850mV (P/S) ø Polarización catódica de -100 mV ø Medida de la corriente neta de protección
ø CLASES DE EQUIPOS PARA MEDIDAS DE POTENCIALES: £ Los instrumentos utilizados para las medidas de potenciales, corrientes, caídas de voltajes y £ otras medidas similares son los voltímetros, de los cuales tenemos de dos tipos:
ø INSTRUMENTOS ANALOGOS £ Son usualmente especificados en términos de la resistencia de entrada o resistencia interna. Esto £ es usualmente expresado como ohmios por voltios de la deflección de la escala completa.
ø INSTRUMENTOS DIGITALES £ Son usualmente especificados en términos de la impedancia de entrada como megaohmios
.
VOLTIMETROS
DIRECCION DE LA CORRIENTE MEDIDA
+ 0.850
-
+
DC
+
ELECTRODO DE REFERENCIA
+ VOLT COM
C
TERMINAL DE PRUEBA AL TUBO
TUBERIA
Conección convencional del instrumento para la medida de potenciales estructura metálica suelo
CRITERIOS DE PROTECCION CATODICA Medidas de potencial tubería - suelo .
:
La medida de potencial tubería - suelo de un tubo desnudo puede ser hecha con un electrodo de referencia colocado próximo a la interface metal/electrolito
:
Esta medidas incluyen una combinación de perdidas de voltaje asociadas con:
¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤
Voltímetro Terminales de prueba Electrodos de referencia Electrolito Recubrimientos aplicados Tubería Interface metal/electrolito
:
Las medidas de potencial que se realizan para determinar el nivel de protección catódica en las estaciones en sitio deben considerar:
:
Efectividad del recubrimiento, posibles daños esperados
¤ ¤ ¤
Secciones de tubería desnuda Bonding para mitigar interferencias Líneas de tubería recubiertas paralelas conectadas eléctricamente polarizadas a diferentes potenciales
y
CRITERIOS DE PROTECCION CATODICA ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤
Efectos de otras estructuras sobre las medidas Localización de ánodos de corrientes impresa Historia de daños por corrosión y reparaciones Localización de mecanismos de aislamiento Blindajes Presencia de otros electrolitos no usuales como derrames químicos, cambios en la resistividad de los suelos Localización de casing Interferencias eléctricas de corriente directa tales como telúricas, equipos de soldadura, rectificadores foráneos equipos de minería y sistemas de trenes eléctricos Contacto con otras estructuras metálicas sitios donde la tubería entra y sale del electrolito Areas de construcción adyacentes a la tubería estructuras metálicas enterradas cercanas y/o cruzando con la tubería Válvulas de control líneas de corriente directa de alta
NIVEL DE PROTECCION CATODICA - LINEAS FLUJO CUP
-2500
-2000
) v m ( L A I C N E T O P
-1500
-1000
-500
0
LINEA DE FLUJO
Jun-00
Lim. superior
Lim. inf erior
MONITOREO DE SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA $ Medidas puntuales de potenciales estructura / suelo $ Verificación del aislamiento en bridas. $ Inspección mecánica y estructural de estaciones de Monitoreo $ Inspección y verificación de continuidad de cables del sistema de protección catódica $ Inspección del estado de recubrimiento (DCVG)
FLANCHE DE AISLAMIENTO
TUBERIA
CONECTORES
EQUIPO DE MEDICION
Verificación de aislamiento en bridas de aislamiento del sistema de protección
GENERACION A.C
1
TRANSFORMADOR
RECTIFICADOR
2
3
CONEXIONADO
4
JUNTION BOX 5
CAMA ANODICA
TEST POINT
ESTRUCTURA A PROTEGER
BRIDAS DE AISLAMIENTO
6
MONITOREO DE SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA ø PRINCIPIOS DE LA TECNICA DE DCVG : Cuando una corriente directa (DC) es aplicada a la superficie del acero de una tubería, en una manera similar a la corriente que se aplica en protección catódica, un gradiente de voltaje es establecido en el suelo. La corriente del gradiente de voltaje pasa a través de la resistividad del suelo y fluye a la superficie de acero expuesta del tubo a través de cada defecto del recubrimiento : Si tamaño de defecto es más grande, mayor es el nivel de corriente fluyendo al defecto y corresponde a un mayor gradiente de voltaje es desarrollado en el suelo : Un milivoltimetro de alta sensibilidad balanceado con dos electrodos de referencia de Cobre/Sulfato de Cobre es usado como probeta. Indicando cualquier imbalance cuando cada probeta esta posicionada sobre la línea de gradiente de voltaje del suelo. : El gradiente de voltaje DC puede estar influenciado por otros sistemas DC, para separar la señal de estas interferencias se usa una especifica que es pulsada por un interruptor (ciclos normales de 0.6se OFF y 0.3s ON). : La señal sincronizada puede ser impuesta utilizando una fuente externa sobre cualquier sistema de protección catódica existente o interrumpiendo la salida del rectificador de protección.
MONITOREO DE SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA $ PRINCIPIOS DE LA TECNICA DE MEDIDAS DE POTENCIALES PASO A PASO (CIS) ø Las mediciones de potenciales tubería / suelo es una buena indicación de la efectividad de la protección catódica que está ocurriendo en la unión tubo / suelo. ø Estas mediciones se realizan en las estaciones de prueba cada 1 o 2 kilómetros de distancia, ø Factores que hacen que las mediciones en las estaciones no sean representativas ø Química del suelo, Humedad y compactación, distancia entre camas ánodicas ø Tipos de recubrimientos ESTACION DE PRUEBA
ELECTRODO DE REFERENCIA
TUBERIA ENTERRADA
MONITOREO DE SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA : En los Monitoreo mediante la técnica de CIS se pude determinar: :Forma de la onda. Consiste de una representación gráfica del potencial tubería suelo de un punto con respecto al tiempo.
:Caídas
del metal IR. Se interrumpe la corriente y se realizan mediciones de potenciales “ON/OFF”
:Potenciales
de drenaje laterales. Estos potenciales se miden a ambos lados de la
tubería
POTENCIAL (-V) 2.20
1. 0
0.6 TIEMPO EN MILISEGUNDOS
Impresión de la forma de la onda ciclada durante un ciclo “ON/OFF” de un CIS
