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Objetivo
Aplicar técnicas de protección contra la corrosión por protección catódica por corriente impresa aplicado a un oleoducto subterráneo y conseguir coste superficial de la instalación de la protección, también agregar a la explicación los distintos métodos de protección contra la corrosión y las formas en cómo se manifiesta la corrosión.
Alcances
Se ha contado las literaturas de tres tesis de grado fundamentalmente, también se pudo realizar consultas al laboratorio de corrosión de la facultad de ingeniera química de la Universidad Nacional de Ingeniera, se contó con literaturas de la biblioteca de la facultad de ingeniería química y así como también de diversas páginas web que se precisaran en la bibliografía.
Limitaciones
Lamentablemente no se ha podido llevar a la experimentación un pequeño modelo de esta protección, pero lo aprendido en esta monografía por el autor ha motivado a un
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profundo interés por el tema, que desea en el futuro realizar alguna experiencia con la protección catódica por corriente impresa.
CAPITULO 1 FUNDAMENTOS DE LA CORROSIÓN
La corrosión puede definirse como el deterioro de los materiales pero es más popular aun; por el deterioro químico (corrosión seca) o electroquímico (corrosión húmeda) de los materiales metálicos, que son de uso imprescindible en cualquier lugar del mundo por sus buenas propiedades mecánicas. La corrosión seca implica la reacción del metal con un medio no iónico y se presenta a elevadas temperaturas, la segunda, la corrosión electroquímica también llamada corrosión húmeda involucra en forma simultanea un transporte de electricidad a través de un electrolito, generando una disminución espontanea en la energía de la celda o pila de corrosión en soluciones salinas como el agua de mar, en soluciones acidas, corrosión en suelos y entre otras. En cualquiera de los casos se presenta una transformación del metal a su forma nativa como mineral. La corrosión en sentido más amplio es un fenómeno natural, por medio del cual los sistemas químicos expresan su tendencia hacia un estado de equilibrio estable.
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La corrosión a partir del siglo XX ha sido tomada con mayor atención debido a que la generación de herrumbre, producto de la corrosión del acero, genera debilitamientos en estructuras como puentes soportados por vigas metálicas con lo cual la vida de estas estructuras se ve disminuida por el deterioro causado por la corrosión.
Y se menciona a la herrumbre como resultado de la interacción química del acero con el ambiente, ya que, es el metal más usado en el mundo es decir el acero que es siempre en más de la mitad de su composición hierro. la disminución de la vida aprovechable de alguna estructura, embarcación, automóvil, tubería o cualquier arreglo metálico que tenga un uso expuesto al ambiente se traduce en mayores gastos para renovar o corregir las variaciones producidas por la corrosión, he ahí donde se presta mayor atención a este proceso inevitable de los metales, que genera gastos en mantenimiento. Los metales que tiende a corroerse con mayor rapidez y facilidad son los que son sometidos a mayores procesos de cambio para conseguir su pureza o al menos para conseguir su estado final, ya que cuando se encuentra en la naturaleza se encuentra en sus estados más estables y al someterlos a procesos de cambios se causa en ellos inestabilidad lo que hace tender que vuelvan a su estado inicial de estabilidad como estuvieron antes de ser extraídos en procesados, como se le encuentra en la naturaleza.
1.1 Perjuicios económicos de la corrosión
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En términos económicos en el Perú no se cuenta con estadísticas que reflejen los gastos ocasionados por corrosión, pero para que se tenga una idea aproximada se presentara los gastos que genera la corrosión al gobierno de los Estados Unidos en una publicación del año 2002, esta publicación manifiesta los costos anuales en pérdidas por corrosión en la infraestructuras ascienden a US$ 276 000 millones de dólares por año, esta cantidad representó el 3.6% del PBI en año 2002 en los EE.UU. Este estudio en esta publicación también agrego que si se desarrollaran técnicas y mejor uso de los conocimientos que los hechos hasta ese momento se podría lograr un ahorro entre el 25 y 30 % es decir se podría ahorrar anualmente en 70 a 80 mil millones de dólares con el uso eficaz de técnicas de protección.
1.2 Mecanismos de la corrosión electroquímica La corrosión electroquímica, es la forma más común de ataque de los metales, y ocurre cuando los átomos del metal pierden electrones y se convierten en iones. Conforme se consume gradualmente el metal, se forma un subproducto de la corrosión que en el caso de los aceros y materiales férricos es herrumbre.
La corrosión electroquímica ocurre con mayor frecuencia en un medio acuoso, donde estén presentes iones en el agua o en el aire húmedo. En este proceso se crea un circuito eléctrico y el sistema se conoce como una celda electroquímica.
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En los procesos de corrosión electroquímica de los metales se tiene simultáneamente un paso de electrones libres entre los espacios anódicos y catódicos vecinos, separados entre sí, según el esquema siguiente:
Ec1 + n e-
Fenómeno anódico: Ed1
Fenómeno catódico: Ec2 + n e-
Ed2
Lo que entraña una corriente electrónica a través de la superficie límite de las fases. En el proceso anódico, el dador de electrones, Ed1, los cede a un potencial galvánico más negativo, y dichos electrones son captados en el proceso catódico por un aceptor de electrones, Ec2, con potencial más positivo. Como vemos la corrosión electroquímica involucra dos reacciones de media celda, una reacción de oxidación en el ánodo y una reacción de reducción en el cátodo. Por ejemplo para la corrosión del hierro en el agua con un pH cercano a neutralidad, estas semireacciones pueden representarse de la siguiente manera: Reacción anódica:
2Fe
2Fe 2+ + 4e-
Reacción catódica:
O2 + 2H2O + 4e-
4OH-
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Por supuesto que existen diferentes reacciones anódicas y catódicas para los diferentes tipos de aleaciones expuestas en distintos medios.
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CAPITULO 2 FUNDAMENTOS DE LA PROTECCION
La corrosión puede ser controla por muchos diferente métodos. Desde un punto de vista industrial, los aspectos económicos de la situación son usualmente los que deciden el método a elegir. Por ejemplo, un ingeniero a cargo debe determinar si es más económico reemplazar periódicamente ciertos equipos, usar materiales con mayor resistencia frente a la corrosión o usar un método de protección.
Se puede tener un control sobre la corrosión por algunos métodos: 1. selección de materiales 2. recubrimientos 3. diseño 4. protección anódica y catódica 5. control del medio
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2.1 Por selección de materiales
La selección de los materiales que vayamos a usar será factor decisivo en el control de la corrosión a continuación se enunciaran algunas reglas generales para la selección de materiales:
Para condiciones no oxidantes o reductoras tales como ácidos y soluciones acuosas libres de aire, se utilizan frecuentemente aleaciones de Ni y Cr.
Para condiciones oxidantes se usan aleaciones que contengan Cr.
Para condiciones altamente oxidantes se aconseja la utilización de Ti y
Los elementos cerámicos poseen buena resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas pero son quebradizos, su utilización se restringe a procesos que no incluyan riesgos.
2.2 Por recubrimientos
Se utilizan recubrimientos metálicos, inorgánicos y orgánicos en la aplicación de recubrimientos para prevenir o reducir su proceso de corrosión.
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Recubrimientos metálicos
Este recubrimiento difiere del metal a recubrir y se aplican en finas capas para separar el metal del ambiente corrosivo, estos recubrimientos se aplican a veces de forma que sirvan de ánodo de sacrificio y este se corroa en lugar del metal que recubre. Como se realiza en recubrimiento por cinc sobre el acero (galvanizado). Muchos componentes metálicos se protegen por electrodeposición, este proceso la parte que va a ser recubierta constituye el cátodo de una celda electrolítica donde el electrolito se constituye de una disolución de una sal del metal a ser recubierto. Esto no sucede en el caso de un cobreado si es que se va a recubrir una pieza con composición de hierro ya que el cobre es más noble que el acero y tiene un comportamiento catódico frente a los compuestos de hierro. También se aplica por laminación algunas veces una delgada capa de recubrimiento a favor de proteger de la corrosión.
Recubrimientos inorgánicos
En algunos casos es necesario hacer recubrimientos con material inorgánico, los mas usados son el vidrio y los cerámicos, estos recubrimientos proporcionan acabados
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tersos y duraderos. Aunque si se expone un pequeño lugar anódico se experimenta una corrosión rápida pero fácil de localizar. Recubrimientos orgánicos
El uso de pinturas, lacas, barnices y muchos materiales orgánicos poliméricos han dado muy buen resultado como protección contra la corrosión. Estos materiales proveen barreras finas tenaces y duraderas para proteger el sustrato metálico de medios corrosivos. El uso de capas orgánicas protege más el metal de la corrosión que muchos otros métodos. Aunque debe escogerse muy bien, ya que hay procesos que incluyen tratamientos con alcoholes que en algún momento pueden disolver los materiales orgánicos.
2.3 Diseño
Este es un método muy efectivo para el control de la corrosión, ya que si hacemos un buen diseño y una buena planeación podemos evitar dicho fenómeno, a continuación se enumeraran algunas reglas generales que se deben seguir:
Se debe tener en cuenta la acción penetrante de la corrosión junto con los requerimientos de la fuerza mecánica cuando se considere el espesor del metal utilizado. Esto se utiliza para tuberías y tanques que contengan líquidos.
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Son preferibles los recipientes soldados que los remachados para reducir la corrosión por grieta
Se deben usar preferiblemente metales galvánicamente similares para prevenir para prevenir la corrosión galvánica. Si se atornillan metales no similares galvánicamente se deben usar arandelas no metálicas para eliminar contactos eléctricos entre los materiales.
Es preciso evitar tensión excesiva y concentraciones de tensión en entornos corrosivos, para prevenir la ruptura por corrosión por esfuerzos, especialmente en aceros inoxidables, latones y otros materiales susceptibles a este tipo de corrosión.
Se deben evitar recodos agudos en sistemas de tuberías por donde circulan fluidos. En estas áreas donde cambia la dirección del fluido bruscamente se potencia la corrosión por erosión.
Se deben diseñar los tanques y recipientes de una manera que sean fáciles de limpiar y desaguar, ya que el estancamiento de sustancias corrosivas provoca la aparición de celdas por concentración.
Se debe hacer un diseño eficiente de aquellas piezas que se espera queden inservibles en poco tiempo, para que sean fáciles de reemplazar.
Es importante también diseñar sistemas de calefacción que no den lugar a zonas puntuales calientes, los cambios de calor ocasionan corrosión.
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2.4 Protección anódica y catódica
La protección catódica ocurre cuando un metal es forzado a ser el cátodo de la celda corrosiva adhiriéndole (acoplándolo o recubriéndolo) de un metal que se corroa más fácilmente que él, de forma tal que esa capa recubridora de metal se corroa antes que el metal que está siendo protegido y así se evite la reacción corrosiva. Una forma conocida de Protección Catódica es la galvanización, que consiste en cubrir un metal con cinc para que éste se corroa primero. Lo que se hace es convertir al cinc en un ánodo de sacrificio, porque él ha de corroerse antes que la pieza metálica protegida. Por otro lado, la protección anódica es un método similar que consiste en recubrir el metal con una fina capa de óxido para que no se corroa. Existen metales como el Aluminio que al contacto con el aire son capaces de generar espontáneamente esta capa de óxido y por lo tanto, se hacen resistentes a la corrosión. Aún así, la capa de óxido que recubre al metal no puede ser cualquiera. Tiene que ser adherente y muy firme, ya que de lo contrario no serviría para nada. Por ejemplo, el óxido de hierro no es capaz de proteger al hierro, porque no se adquiere a él en la forma requerida
2.5 Control del medio
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Las condiciones ambientales son muy importantes para el control de corrosión, algunos métodos usados son:
Bajando la temperatura se consigue disminuir la velocidad de reacción, por ende se disminuye el riego de corrosión.
Disminuyendo la velocidad de un fluido corrosivo se reduce la corrosión por erosión. Sin embargo, para metales y aleaciones que se pasivan, es más importante evitar las disoluciones estancadas.
Eliminar el oxígeno de las soluciones acuosas reduce la corrosión especialmente en las calderas de agua.
La reducción de la concentración de iones corrosivos en una solución que esta corroyendo un metal puede hacer que disminuya la velocidad de corrosión, se utiliza principalmente en aceros inoxidables.
La adición de inhibidores que son principalmente catalizadores de retardo disminuye las probabilidades de corrosión. Los inhibidores son de varios tipos: los inhibidores de absorción que forman una película protectora, los inhibidores barrenderos que eliminan oxígeno. En general, los inhibidores son agentes químicos, añadidos a la solución de electrolito, emigran preferentemente hacia la superficie del ánodo o del cátodo y producen una polarización por concentración o por resistencia.
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CAPITULO 3 FUNDAMENTOS DE LA PROTECCION CATODICA POR CORRIENTE IMPRESA
Siendo la corrosión electroquímica la más frecuente, la protección catódica se logra suministrando electrones a la estructura ligada con un flujo de corriente eléctrica. Por lo ya expuesto la corrosión electroquímica es producto del flujo de electrones de la zona anódica a la catódica en presencia de un electrolito por tanto, si convertimos de alguna manera la estructura metálica en un cátodo, entonces, garantizaríamos su inmunidad frente la corrosión. En esto se fundamenta la protección catódica, existen dos formas de protección catódica; una es la protección catódica por ánodos de sacrifico y la otra por corriente impresa, que es el tema central en esta monografía.
3.1
Protección catódica por ánodos de sacrificio:
Esta protección anticorrosiva consiste en utilizar un elemento metálico con menor potencial de reducción en contacto eléctrico en presencia del electrolito que contiene a la estructura metálica o aleación. Para garantizar la protección de una aleación se debe
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escoger un ánodo con un potencial menor de reducción que el de menor potencial de los metales aleados. Esta protección tiene algunas deficiencias, ya que, el consumo del ánodo de protección reduce el suministro de electrones a la estructura, esto quiere decir que, si no se tiene estas previsiones en los cálculos podría esta reducción del flujo de electrones provocar zonas desprotegidas de la, estructura metálica, otro inconveniente es que la corriente suministrada a la estructura es limitada por la cantidad de ánodos y el consumo de estos ánodos es elevado en estructuras sin revestimientos. Pero se oponen ciertas ventajas, una de ellas es que no se necesita de una persona con mucha experiencia para instalar esta protección, y que genera un bajo costo de mantenimiento.
3.2
Protección catódica por corriente impresa:
Esta protección, que será la protagonista de esta monografía, es la que garantiza una completa protección a la estructura frente a la corrosión por ser una protección catódica lo que realiza es convertir a toda la estructura en una zona catódica de la misma forma que lo realizan los ánodos de sacrificio, con la diferencia de que habrá de por medio un suministrador de voltaje y corriente continua y con esta fuente ya no es menester que los ánodos protectores tengan un potencial menor, incluso, podrían operar como ánodos arreglos del mismo metal sin uso o chatarra.
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Para llevar a cabo la instalación de protección anticorrosiva hay que obtener información acerca del electrolito y de las capacidades de los electrodos y del resto de equipo a utilizar así que resulta un poco más compleja la instalación de un sistema de protección por corriente continua que simplemente uno de ánodos de sacrificio.
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CAPITULO 4 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE EQUIPOS Y HERRAMIENTAS
En la instalación de la protección por corriente impresa se utilizaron equipos y herramientas que describiremos y añadiremos fichas técnicas: 4.1
Ánodo de Ferrosilicio tipo SM:
Los ánodos de Fe/Si and Fe/Si/Cr tienen la ventaja sobre los de grafito de que admiten una mayor densidad de corriente, y tienen mayor peso específico, es decir mayor peso comparando con los de grafito de las mismas dimensiones, lo cual era una ventaja debido a que con los ánodos de grafito, si querían largas duraciones, había que instalar muchos. Cuando el medio electrolítico en el que se van a instalar tiene alto contenido en cloruros los ánodos deben llevar un pequeño contenido de cromo en la aleación, que mejora su comportamiento en estos medios.
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Composición de un ánodo de ferrosilicio 3"φx60" Elemento
Porcentaje
Carbón (C)
0,70 – 1,10
Manganeso (Mn)
1,50 máx.
Silicio (Si)
14,20 – 14,75
Cromo (Cr)
3,25 – 5,00
Molibdeno (Mo)
0,20 máx.
Cobre (Cu)
0,50 máx.
Hierro (Fe)
76.95 – 81.85
El material es bastante frágil por lo que requiere una manipulación cuidadosa tiene las siguientes propiedades:
Propiedades mecánicas - Eléctricas de un ánodo de ferrosilicio 3"φx60" Propiedad
Valor
Peso específico
7000 kg/m3 ± 0,5%
Consumo aproximado
0,25 – 1 kg/A-año
Densidad de corriente máxima recomendada (A/m2)
Suelo 60 Consumo medio
Medio electrolítico
Densidad de corriente
Agua dulce
10
0,15
15
0,35
50
0,50
Agua de mar a 94 ºC
10
0,45
Enterrado en el fondo del mar
8
0,7
Con relleno de coque
15
0,2
Agua de mar
Kg/(A x año)
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4.2
Cables AWG #4 y AWG # 12:
Por recomendación de los fabricantes se debe usar un cable con una admisión de corriente mayor en un 25 % de lo necesitado en los cálculos: En la conexión de los rectificadores a los tramos de tubería circulara una corriente de 100 A por este factor debemos usar un cable con una admisión de 125 A o superior, a partir de esto escogemos cables AWG # 4 y para los ánodos utilizaremos cables de cobre AWG #12, ya que, necesitamos que circule una intensidad de 30 A por el factor de seguridad de 25 % debería ser un cable de admisión máxima de 37.5 A o más.
Conducto Conducto Ohms WG r r per gaug Diameter Diameter 1000 e Inches mm ft.
4 12
0.2043 0.0808
5.18922 2.05232
0.248 1.588
Ohms per km
0.8150 5.2086
Maximu m Breakin Maxim frequenc Maximum g force um y for amps for Soft amps 100% power Anneale skin for transmissio depth for d Cu chassis n 37000 solid wiring PSI conducto r copper
135 41
60 650 Hz 9.3 4150Hz
1210lbs 197 lbs
20
4.3
Rectificador de la firma China “Plating Machine”:
Plating Machine - Plating rectifier 100 A Specification and parameter: Input voltage Output voltage
Single phase 220V AC, 3 phase 380V/415V/440V 50-60Hz 6V/12V/15V/18V/24V/36V/48V optional or according to customers’ request
Output current
0-100A (Random optional)
Voltage stability
≤1%
Current stability
≤1%
Ripple factor
1%-2%
Efficiency
≥90%
Stabilization mode Adjustment range
Current stabilization/Voltage stabilization (Switchable easily) Voltage/Current from 0-100% continuously adjustable within rated range
Cooling system
Air cooling/Water cooling/Oil cooling
Control method
Manual/PLC
Display contents Protection method
Voltage meter/Current meter/Working/Over temp/Error, etc.. Input overvoltage/Undervoltage/Over current/Output short/Over heating self protection etc..
Operating temperature
-20-50℃
Ambient temperature
-30-65℃
Ambient humidity
≤90%
Working loading
Full capacity operation, more than 1,000 meters above sea level, reduced load operation
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CAPITULO 5 PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN
Antes de la instalación se deben realizar algunas mediciones y cálculos, del medio agresivo que rodea la estructura, en este caso, serán los suelos por donde van a pasar los oleoductos enterradas. El suelo es un medio heterogéneo con multitud de microporos rellenos de aire y humedad. Existe desde suelos arenosos con partículas gruesas (0.07 mm - 2 mm) hasta suelos arcillosos con tamaños de partículas inferiores a 0.07 mm, los suelos arenosos por lo general son suelos aeriados y secos, de alta resistividad y poco agresivos. Por el contrario los arcillosos son húmedos, conductores y agresivos, desde el punto de vista de la corrosión. La compactación del suelo luego de rellenar las zanjas donde son colocadas las tuberías, la cantidad de sales y concentración de co2 también influyen en la agresividad del suelo en cuestión a la corrosión y generación del electrolito. Según Enrique Otero en su libro “Corrosión y degradación de materiales”: “La humedad del terreno, junto con su contenido en sales, determina, básicamente sus resistividad y su nivel de agresividad. Los suelos húmedos y conductores son más agresivos que los secos y resistivos.”
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(Segunda edición, capitulo 15, página 248 cuarto párrafo) Esta cita genera un aspecto determinante, de acuerdo con ello es habitual clasificar los suelos en cuanto a su agresividad, en función de la resistividad de los mismos, esta clasificación se ajusta a los valores descritos en el Cuadro 5.1 Cuadro 5.1 Clasificación de los suelos en cuanto a su agresividad en función de la resistividad que presentan Resistividad < 900 Ω.cm 900 - 2 300 Ω.cm 2 300 - 5 000 Ω.cm 5 000 - 10 000 Ω.cm < 10 000 Ω.cm
Características corrosivas del suelo muy corrosivo bastante corrosivo moderadamente corrosivo ligeramente corrosivo muy ligeramente corrosivo
En algunas ocasiones los suelos pueden presentar características acidas pero por lo general son alcalinos. La acides del suelo se debe en algunas ocasiones a la combinación del co2 del deterioro del humus en combinación con el agua formando H2CO3.
5.1
Calculo de la resistividad del suelo:
Ya que los oleoductos estarán inmersos en el electrolito suelo, debemos conocer primero la resistividad de los suelos por donde realizarán su recorrido. Para realizar esta acción existen diversos métodos para medir la resistividad del terreno, uno de los más usados es el método de Wenner. Consiste en ubicar 4 electrodos enterrados en el suelo igualmente distanciados con una distancia “d” en cm tal y como se indica en la figura 5.1.
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Los dos exteriores, conocidos como electrodos de corriente se conectan a un fuente de energía eléctrica en serie con un amperímetro, para poder conocer la intensidad de corriente en amperios (I). en consecuencia del paso de corriente entre los electrodos de corriente se genera un campo eléctrico, de manera que los dos electrodos intermedios, conocidos como electrodos de potencial, se situaran sobre distintas líneas equipotenciales del campo adquiriendo distinto potencial, la diferencia de potencial (ΔE) medida por el milivoltímetro se expresa en voltios. Disponiendo de la distancia “d” de la corriente “I” y de la diferencia de potencial “ΔE”, podremos calcular el valor de la resistividad () a partir de la siguiente ecuación:
δ=
2 π ×∆ E × d I
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Para nuestra instalación consideraremos un valor de 30 Ω.cm, considerado una resistividad muy corrosiva, este es un valor referencial, ya que la resistividad a los largo de muchos kilómetros aumentara o disminuirá según las condiciones del suelo. 5.2
Densidad de corriente:
Para garantizar la protección de los oleoductos y en general de las estructuras que deseemos proteger con el método de protección catódica, debemos conocer además de la resistividad de los suelos la densidad de corriente mínima
del metal que
deseemos proteger, para nuestra monografía no usaremos un valor hallado empíricamente, más bien, nos remitiremos a la tablas encontradas en las literaturas. Que lo obtenemos de la tabla 5.2 del texto “control de la corrosión – estudia y medida por técnicas electroquímicas” de Gonzales Fernández. La densidad de corriente depende además del medio donde estará inmerso del uso y de los esfuerzos a los que estará sometido el metal o estructura. Obteniendo los datos anteriores podemos obtener tanto la cantidad de corriente necesaria para proteger todo el oleoducto como la tensión para originar esta protección, ya que, finalmente lo que se desea realizar un circuito teniendo como resistencia al medio circundante. Para estos cálculos usaremos las siguientes fórmulas y se realizó los cálculos para proteger el oleoducto
ramal norte del oleoducto
norperuano que extrae petróleo de la zona de Andoas en la región Loreto, la disposición del recorrido se adjunta en el anexo 1.
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5.3
fórmulas:
Corriente total de protección (A):
Número de Ánodos:
I =Sx I c N=
I I a x Sa
Peso de Ánodos(Kg):
Vida útil de los Ánodos(años):
W =Nx W s V u=
Resistencia de un Ánodo (ohm):
(
W xU I x Ca
H 2¿ ¿ 2 ¿ 2+ L ¿ (¿ L −1 ¿¿) √¿ 2 2 2 4 L +4 l √(2 H ) + L 2xH + −¿ d x H x2 L ln¿ 0.017 x ρ Ra= x¿ L
)
Resistencia de N ánodos (ohm) paralelo:
R n=
Ra N
26
5.4
Descripción de las variables:
variable S Ic Ia
descripción Área de la estructura a proteger Densidad de corriente de protección Densidad de corriente del ánodo
valor
unidad
480472
m2
0.056
A/m2
15
A/m2
0.182
m2 Kg
Sa
Área del ánodo
Wa
Peso de un ánodo
13.6
U
Factor de utilización del ánodo
0.85
Ca
Consumo del material anódico
0.4
Kg/A x año
resistividad del terreno
30
ohm x cm
ρ ρc
resistividad de los cables
L
Longitud del ánodo
H
profundidad de enterramiento
d
Diámetro del ánodo
0.018
ohmmm2/m
252000
m
1.5
m
0.2407
m
27
5.5
Resultados obtenidos:
Corriente total de protección (A):
Número de Ánodos:
Peso de Ánodos(Kg):
Vida útil de los Ánodos(años):
Resistencia de un Ánodo – electrolito (ohm):
Resistencia de N ánodos (ohm) paralelo:
I =18 017.38559≈ 18 018 Amp N=1 625.87 ≈ 1626 unidades W =79007.6 Kg
V u=18.627226869 años ≈ 18 años Ra=0.012150798 Ω
Rn=7.47282 x 10−6 Ω 5.6
Instalación de rectificadores y ánodos de protección:
Se utilizaran en total 181 rectificadores de corriente a V y 100 A y un rectificador a ##V y ##A. Se instalará un rectificador de corriente cada 1392 m de longitud, uniendo mediante un cable AWG # 4 de 2m de longitud soldando el borne negativo del rectificador con un extremo del cable y el otro extremo con el punto medio del tramo de 936 m, es decir, todos los cables AWG # 4 estarán soldados a el oleoducto cada 1392 m. Sólo el último punto de soldadura al oleoducto estará distanciado del otro 720 m. Los ánodos de Ferrosilicio estarán unidos por medio de un cable AWG # 12 de 700 m de longitud, un extremo del cable al ánodo y el otro en paralelo con los demás ánodos correspondientes al mismo rectificador distanciados cada uno del otro 139 m y la parte
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superior enterrada 1.5 m de bajo de la parte superior de la tubería, tal como se muestra en el anexo 4. Los rectificadores de corriente eléctrica se alimentarán de las líneas de tensión trifásicas de la zona. 5.7
Cálculos en un tramo de 1392m:
Resistencia de un ánodo con el electrolito hasta la superficie de la tubería:
R 1=0.001350089 Ω
Resistencia de un cable AWG # 12 desde el rectificador hasta el ánodo:
Rc 12=3.646048 Ω
Intensidad de corriente que pasa por un ánodo:
I =11.08168321 Amp
Diferencia de potencial electrolito – ánodo –cable AWG # 12:
V 1=I 1 x(R 1+ Rc 12) V 1=40.4193102 V
Resistencia interna de la tubería de 1392 m
Rt=2.7 4 x 10−7 Ω
Resistencia de un cable AWG # 4 desde el rectificador hasta el oleoducto:
Rc 4=0.00163016 Ω
Resistencia del tramo cable AWG # 12 – tubería:
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Rtc 4=0.00163016 Ω
Intensidad de corriente que circula
I =100 Amp
Diferencia de potencial oleoducto – cable AWG # 12:
V 2=0.1630 16 V
5.8
Voltaje del rectificador:
V =V 1+V 2=40 . 5823262 v ≈ 40.6 v
Cálculos en un tramo de 48m:
Este tramo de la tubería que pude ser ubicado en los extremos de la tubería tendrá una protección garantizada por 60 años, como nuestros rectificadores solo pueden dar un amperaje de salida de 100 A, no podemos anexar estor 48 m. Ya que, excedería nuestra capacidad de 100 A. Por lo que este tramo tendrá que estar con un solo ánodo a una corriente de salida del rectificador será de 3.5 A.
Resistencia de un ánodo con el electrolito hasta la superficie de la tubería:
R 1=0.0 12150798 Ω
30
Resistencia de un cable AWG # 12 desde el rectificador hasta el ánodo:
Rc 12=0.012150798 Ω
Intensidad de corriente que pasa por un ánodo:
I =11.08168321 Amp
Diferencia de potencial electrolito – ánodo –cable AWG # 12:
V 1=I 1 x(R 1+ Rc 12)
V 1=0.42325379 V
Resistencia interna de la tubería de 48 m
Rt=0.000188495 Ω
Resistencia de un cable AWG # 4 desde el rectificador hasta el oleoducto:
Rc 4=0.00163016 Ω
Resistencia del tramo cable AWG # 12 – tubería:
Rtc 4=0.0260432 Ω
Intensidad de corriente que circula
I =3.5 Amp
Diferencia de potencial oleoducto – cable AWG # 12:
V 2=0. 00624141V
Voltaje del rectificador:
31
V =V 1+V 2=0.4294952 v ≈ 0.5 v
tabla 5.2 densidad de corriente (DC) para la protección catódica del hierro y del acero en variadas condiciones de servicio tipo de estructura
medio
condiciones velocidad = 0.5 m/s velocidad = 1 - 15 m/s zona de madera zona de codaste, timón y hélice
buque
agua de mar
tanques de lastre limpio tanques de carga - lastre tanques de carga de petróleo Acero pintado. Buque anclado
tuberías
acero. Buque en movimiento pintura dañada en fondos agua dulce estancada caliente en movimiento turbulento en movimiento
D.C. mA/m2 86 - 130 150 - 60 65 - 90 220 190 280 170 230 100 170 25 - 50 100 150 50 -210 56 56- 66 56-170
32
agua de mar hormigón
terrenos
acero desnudo acero revestido de deficiente calidad mediocre de buena calidad aireado y seco anaeróbico con bacterias sulfurreductoras anaeróbico sin bacterias suelo neutro estéril suelo húmedo suelo muy acido acero pintado acero recubierto con bitumen y fibra de vidrio
cambiador de agua dulce calor alta velocidad de flujo calentador de agua dulce agua diferentes durezas tanque de H2SO4 acero caliente en reposo
CAPITULO 6 CUATIFICACION DE INVERSION
50-100 0.2 4 2 0.4-1 17 450 5 17 28-66 56-170 0.1-0.2 0.01 1 30-60 500
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Los costos de la instalación se han llevado a cabo consultando a distribuidoras por medio de sus páginas web y centrales telefónicas. Son costos referenciales, no tienen mucha precisión pero ayudan a darnos una idea del costo real. Los costos se encuentran en la tabla 6.1. Y el resumen incluyendo el análisis de resistividad e instalación en la tabla 6.2. Estos costos son para la primera quincena del mes de junio del 2015. El costo total incluido utilidades es de S/. 2 370 568 por una protección de 18 años. No se toma en cuenta el costo de puesta en marcha y el consumo mensual de electricidad.
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CAPITULO 7 FÓRMULA POLINÓMICA
El presupuesto fue hecho para la primera quincena del mes de junio del 2015, al cambio del dólar a S/. 3.154. Para el reajuste del costo en el tiempo:
Pf =KxPo Donde K es igual:
K=a
Prf Pcf Paf Psf Ptf AIf GGf Uf +b +c +d +e +f +g +h Pro Pco Pao Pso Pto AIo GGo Uo
Como los coeficientes son menores al 5 % en algunos de los casos se anexan a otros parecidos:
AI = AI + Pt Precio de transporte se incluirá en los costos de instalación y medición
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Pr=Pr+Pa+ Ps+ Pt Precio de ánodos y soldadura se incluirá en precio del rectificador Por lo tanto: K es igual:
K=a
Prf Pcf AIf GGf Uf +b +c +d +e Pro Pco AIo GGo Uo
Donde:
a=0.05 5
b=0.627 c=0.15 2
d=0.08 3 e=0.08 3
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OBSERVACIONES
Se ha utilizado un valor contante de resistividad en todo el recorrido de las tuberías, obtenido de las literaturas y en un suelo húmedo correspondiente a los suelos de la selva peruana, según la tabla 5.2.
Los costos se obtuvieron a través de las páginas web de algunas distribuidoras y consultando por vía telefónica a algunas empresas.
No se consideran gastos de envíos en los equipos que se obtuvieron precios del extranjero como México y China.
El oleoducto Nor peruano está protegido por pinturas.
Se podría automatizar el sistema para un control más preciso, ya que, el electrolito suelo puede sufrir variaciones de resistividad debido a que
obedece
a
las
condiciones
climatológicas.
Instalando
adicionalmente medidores de resistividad en ciertos tramos y estos a su vez alimentando una base de datos, a partir, de esa información
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variar los niveles de corriente y de tensión en los rectificadores de corriente
eléctrica,
que
también
podríamos
conectarlos
a
un
ordenador y monitorear a distancia la instalación.
Se está considerando que existirán en el trayecto suministro de energía eléctrica trifásica para la alimentación del sistema eléctrico.
No se consideran los gastos por excavación del terreno.
Los costos de instalación se asumen como el 10 % de los costos de equipos y herramientas.
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RECOMENDACIONES
Utilizar métodos para prolongar la vida de los ánodos de ferrosilicio.
Utilizar un sistema de automatización de los sistemas de control de corriente y voltaje.
Realizar un cheque cada mes.
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ANEXOS
Anexo 1
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Anexo 2
42
Anexo 3
43
Anexo 4 Vista de canto de la instalación de los ánodos y rectificador.
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Anexo 5 Vista de la disposición de los ánodos en el centro de un tramo de 1320m.
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BIBLIOGRAFÍA
Páginas web:
proteccioncatodica.mx Distribuidora de ánodos de ferrosilico.
sodimac.com.pe Distribuidora de cables.
forosdeelectronica.com Tablas con especificaciones para calibres de cables.
dtsimexico.com Fichas técnicas de los ánodos de ferrosilicio.
platingmachines.com Distribuidora china de los equipos rectificadores de corriente y de fichas técnicas.
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Tesis de grado:
-
Selección de un sistema de protección catódica en un remolcador de 55 TM de Bollard Pull. Tesis para optar el título profesional de ingeniero naval (2013) Joseph Gerald Ibáñez Echevarría
-
Diseño de construcción del sistema de protección catódica de dos líneas submarinas de productos de refinería. Informe de ingeniería para optar el título de ingeniero mecánico (1997) Esmeldi Saldarriaga Torres
-
Diseño de un sistema de protección catódica por corriente impresa para un oleoducto submarino con ánodos durco. Tesis para optar el título profesional de ingeniero mecánico electricista(1981) Miguel Munguía Gómez
Libros: -
corrosión y degradación de materiales Enrique Otero Control de la corrosión, estudio y medida por técnicas electroquímicas J. A. Gonzales Fernández
