Proteccion Catodica

SUBDIRECCION DE TECNOLOGIA Y DESARROLLO PROFESIONAL UNIDAD DE NORMATIVIDAD TECNICA

ESPECIFICACION TECNICA PARA PROYECTO DE OBRAS

SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA

(CATHODIC PROTECTION SYSTEMS)

P.2.0353.01 PRIMERA EDICION SEPTIEMBRE, 2000

SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA Primera edición

P.2.0353.01:2000 UNT

PREFACIO Pemex Exploración y Producción (PEP) en cumplimiento del decreto por el que se reforman, adicionan y derogan diversas disposiciones de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización, publicado en el Diario oficial de la Federación de fecha 20 de mayo de 1997 y acorde con el Programa Nacional de Modernización de la Administración Pública Federal 1995 - 2000, así como con la facultad que le confiere la “Ley de Adquisiciones, Arrendamientos y Servicios del Sector Público”, la “Ley de Obras Públicas y Servicios relacionado con las mismas” y la sección 4 de las Reglas Generales para la Contratación y Ejecución de Obras Públicas y Servicios relacionados con las mismas, expide la presente especificación a fin de que se aplique en los sistemas de protección catódica. Esta especificación se elaboró tomando como base la segunda edición de la norma No. 2.413.01, emitida en 1990 por Petróleos Mexicanos de la que se llevó a cabo su revisión, adecuación y actualización, a fin de adaptarla a los requerimientos de Pemex Exploración y Producción. En la elaboración de esta especificación participaron: Subdirección de Región Norte Subdirección de Región Sur Subdirección de Región Marina Noreste Subdirección de Región Marina Suroeste Dirección Ejecutiva del Proyecto Cantarell

Subdirección de Perforación y Mantenimiento de Pozos

Coordinación Ejecutiva de Estrategias de Exploración

Auditoría de Seguridad Industrial y Protección Ambiental

Subdirección de Planeación

Subdirección de Administración y Finanzas

Subdirección de Tecnología y Desarrollo Profesional Unidad de Normatividad Técnica

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INDICE DE CONTENIDO

Página

0.

Introducción. ............................................................................

3

1.

Objetivo. ...................................................................................

3

2.

Alcance. …………...……………..….........................................

3

3.

Actualización. ...........................................................................

3

4.

Campo de aplicación. ..............................................................

3

5.

Referencias. .............................................................................

3

6.

Definiciones. …………………....………....................................

3

7.

Generalidades. …………………………....................................

5

7.1

Sistemas de protección catódica. .………….............................

5

7.2

Mediciones. ……………………….…………..............................

6

7.3

Recubrimientos anticorrosivos. ……………..............................

7

7.4

Aislamiento eléctrico. …………….………….............................

7

7.5

Pruebas de requerimiento de corriente. …...............................

7

7.6

Dispositivos para impresión de corriente. .…...........................

9

7.7

Camas anódicas de pozo profundo. ……….............................

9

7.8

Criterios para protección catódica. …………............................

11

7.9

Consideraciones de diseño. …………………...........................

11

7.10

Objetivos principales. ...............................................................

12

7.11

Dibujos. ………………………….………….…............................

12

8.

Diseño. .………………………………………….….....................

12

8.1

Tuberías enterradas y/o sumergidas. ………...........................

12

8.2

Plataformas Marinas. …………….………….............................

14

8.3

Muelles y embarcaderos. ……………………............................

19

8.4

Monoboyas y transporte marino. .…………..............................

19

8.5

Tanques de almacenamiento. ………………............................

20

8.6

Condensadores e intercambiadores de calor...........................

21

8.7

Control de corrientes parásitas. …………….............................

24

9.

Procedimiento de cálculo. .......................................................

25

10.

Concordancia con otras normas. .............................................

29

11.

Bibliografía. ..............................................................................

29

Figuras. ....................................................................................

30

Tablas. .....................................................................................

49

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0.

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Introducción.

3.

Dentro de las principales actividades que se llevan a cabo en Pemex Exploración y Producción (PEP), se encuentran el diseño, construcción, operación y mantenimiento de las instalaciones para extracción, recolección, procesamiento primario, almacenamiento, medición y transporte de hidrocarburos, así como la adquisición de materiales y equipos requeridos para cumplir con eficiencia y eficacia los objetivos de la Empresa. En vista de ésto, es necesaria la participación de las diversas disciplinas de la Ingeniería, lo que involucra diferencia de criterios. Con el objeto de unificar criterios, aprovechar las experiencias dispersas, y conjuntar resultados de las investigaciones nacionales e internacionales, Pemex Exploración y Producción emite a través del Unidad de Normatividad Técnica, esta especificación, para aplicarse en el diseño de sistemas de protección catódica.

1.

Objetivo.

Actualización.

A las personas e instituciones que hagan uso de este documento normativo técnico, se solicita comuniquen por escrito las observaciones que estimen pertinentes, dirigiendo su correspondencia a: Pemex Exploración y Producción. Unidad de Normatividad Técnica. Dirección: Bahía de Ballenas # 5, 9° piso. Col. Verónica Anzures, México, D.F. 11300 Teléfono directo: 5 5-45-20-35. Conmutador 5 7-22-25-00, ext. 3-80-80 Fax: 3-26-54 E-mail: mpacheco @pep.pemex.com

4.

Campo de aplicación.

Esta especificación establece los requisitos mínimos para diseñar Sistemas de Protección Catódica en estructuras metálicas enterradas o sumergidas que por su utilización en la explotación, transporte y almacenamiento de hidrocarburos y sus derivados, están expuestos a los efectos de la corrosión.

Este documento aplica en todas las áreas de Pemex Exploración y Producción que diseñan, inspeccionan o utilizan sistemas de protección catódica; Así mismo es de observancia obligatoria por los contratistas o prestadores de servicio que desarrollen esta actividades para Pemex Exploración y Producción.

2.

5.

Alcance.

Esta especificación establece los criterios y requerimientos para el diseño de sistemas de protección catódica, a través de corriente impresa o camas anódicas de pozo profundo, para la protección contra la corrosión de sistemas tuberías enterradas o sumergidas, plataformas marinas, muelles y embarcaderos, monoboyas, tanques de almacenamiento, entre otras instalaciones y equipos, utilizados en las actividades de transporte, reparación, distribución y procesamiento primario de hidrocarburos en Pemex Exploración y Producción.

3/54

Referencias.

NOM-008-SECRE-1999 “Control de la corrosión externa en tuberías de acero enterradas y/o sumergidas”.

6.

Definiciones.

6.1

Anodo.

Es el electrodo en el cual ocurre el fenómeno de oxidación.


6.2

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Anodo galvánico o de sacrificio.

6.10

Es un metal con potencial normal de oxidación, mayor que el de la estructura metálica por proteger y que al emitir corriente de protección, se consume.

Proceso de naturaleza electroquímica por medio del cual los metales se deterioran, debido a la interacción con el medio que los rodea . 6.11

6.3

Es la corriente directa por área unitaria, expresada usualmente en miliamperios por metro cuadrado o miliamperios por pie cuadrado.

Cama anódica. 6.12

Es el grupo de ánodos inertes o galvánicos que forman parte del circuito de protección catódica. 6.5

Cama anódica profunda.

Uno o más ánodos instalados verticalmente a una profundidad de 15.0 m o más, bajo la superficie de la tierra en un pozo perforado, para suministrar protección catódica a la superficie externa de una estructura metálica en contacto con un electrólito. 6.6

Densidad de corriente.

Anodo inerte.

Es aquel que no produce corriente eléctrica. 6.4

Corrosión.

Cama anódica superficial.

Electrólito.

Es un conductor iónico de corriente directa, se refiere al subsuelo o al agua en contacto con una estructura metálica enterrada o sumergida. 6.13

Elemento de medición.

Es una resistencia calibrada, contenida en el interior del poste de señalamiento y registro; sirve para medir corriente de protección catódica. 6.14

Junta de aislamiento.

Uno o más ánodos instalados vertical u horizontalmente a una profundidad menor de 15.0 m para suministrar protección catódica a una estructura metálica enterrada o sumergida.

Elemento de material aislante que se intercala en el sistema de tubería para seccionar eléctricamente la estructura metálica por proteger.

6.7

6.15

Cátodo.

Es el electrodo de una celda electroquímica, en el cual ocurre el fenómeno de reducción y por consiguiente el área que no es atacada por la corrosión.

Mezcla de materiales sólidos que envuelven al ánodo para incrementar su conductividad eléctrica en el terreno donde se alojan. 6.16

6.8

Polarización.

Corriente de protección catódica.

Corriente directa necesaria para obtener los valores de potencial de protección de una estructura metálica enterrada o sumergida en un electrólito. 6.9

Material de relleno (Backfill).

Corriente parásita.

Es la corriente eléctrica de origen desconocido que llega a la estructura metálica a través del electrólito.

4/54

Es la magnitud de variación de un potencial de circuito abierto de un electrodo, causado por el paso de una corriente eléctrica. 6.17

Poste de señalamiento y registro.

Es aquel que indica la trayectoria y localización de la (s) estructura (s) metálica (s) por proteger; sirviendo además para medir el potencial de la (s) estructura (s) al electrólito, ya sea natural o de protección.


6.18

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Potencial natural.

6.27

Es la diferencia de tensión entre una estructura metálica en su estado natural y un electrodo de referencia en contacto con un electrólito.

Es la resistencia eléctrica específica de un terreno, se expresa en ohms-cm. 6.28

6.19

Pozo cerrado.

Es la instalación en la cual los ánodos son rodeados por un relleno especial (backfill). 6.21

Protección Catódica.

Procedimiento eléctrico para proteger contra la corrosión externa un metal enterrado o sumergido en contacto con un electrólito, convirtiendo al metal en el cátodo de una celda electroquímica mediante el paso de la corriente que proviene de un ánodo. 6.22

Prueba de requerimiento de corriente.

Es la aplicación de corriente directa en la estructura metálica por proteger, con el fin de determinar la corriente de protección y determinar los alcances de protección para cada uno de los puntos de drenaje eléctrico. 6.23

Puenteo.

Es la unión de estructuras metálicas por medio de un conductor eléctrico y soldadura por aluminotermia. 6.24

Punto de drenaje.

Es el sitio en el que se suministra corriente de protección a una estructura metálica. 6.25

Rectificador.

El equipo que convierte corriente alterna a una corriente directa controlada. 6.26

Soldadura por aluminiotermia.

Pozo abierto.

Es la instalación en la cual los 41 anodos son rodeados únicamente por un electrólito acuoso. 6.20

Resistividad del terreno.

Proceso que se utiliza para soldar conductores eléctricos a estructuras metálicas, consiste de una mezcla pulverizada de óxido de cobre, aluminio y pólvora que se activa mediante una chispa.

7.

Generalidades.

7.1

Sistemas de protección catódica.

Existen dos tipos de sistemas de protección catódica que pueden utilizarse individualmente o combinados y son: -

Por medio de corriente impresa.

-

Por medio de ánodos galvánicos.

7.1.1

Corriente impresa.

Este sistema requiere de una fuente de corriente directa y un electrodo auxiliar (ánodo), situado a cierta distancia de la estructura a proteger. El terminal positivo de la fuente de corriente directa se conecta al ánodo y el terminal negativo a la estructura a proteger, de este modo la corriente fluye del ánodo a través del electrólito a la estructura. (fig. 1). En suelos y aguas de resistividad elevada, el voltaje aplicado debe ser más alto que en medios de baja resistividad. La fuente de corriente suele ser un rectificador que suministra corriente directa. Los ánodos para corriente impresa pueden ser de grafito, fierro fundido con alto contenido de silicio, plomo-plata, platino, aceros, etc.

Recubrimientos anticorrosivos.

Son los materiales y revestimientos que se usan para prevenir la corrosión de una estructura metálica por el aislamiento del medio.

5/54

Los ánodos se instalan enterrados o sumergidos y, según el tipo de material, desnudos o empaquetados con relleno especial. Ver referencia No. P.3.413.01.


7.1.2

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7.2.2

Anodos galvánicos (de sacrificio).

Este sistema utiliza la diferencia de potencial entre el material del ánodo y la tubería como fuente de corriente. En este tipo de instalación el material de los ánodos se consume rápidamente (dependiendo de la resistividad del electrólito y del material usado como ánodo) durante el proceso de descarga del mismo. Los materiales de uso más común como ánodos de sacrificio son el zinc, el magnesio y el aluminio (fig. 2). Los ánodos se pueden instalar enterrados o sumergidos, desnudos o empaquetados con un relleno especial, se pueden conectar a la estructura metálica individualmente o en grupos. Su corriente de salida esta limitada por la diferencia de potencial entre el ánodo y el tubo y por la resistividad del electrólito. 7.2

Mediciones.

7.2.1

Medición de potenciales.

Con la medición de potenciales se obtiene el nivel de protección en todo fenómeno de corrosión electroquímica. Ver fig. 3. Aplicación: a)

Medición de potenciales naturales para:

-

Pruebas de protección catódica.

-

Estudio de interferencias.

Esta medición se debe de efectuar con el fin de conocer la conductividad eléctrica del terreno en contacto con la estructura metálica; de este valor depende la exactitud del diseño. La resistividad del terreno se determina circulando una cantidad conocida de corriente eléctrica por la tierra y midiendo el cambio de potencial resultante. Se utilizan cuatro varillas metálicas instaladas en la tierra, separadas de acuerdo a la profundidad deseada y al método empleado. Los instrumentos más usados para medir la resistividad del terreno son el Magger y el Vibroground (fig. 4); en la fig. 5 se muestra la medición de resistividad utilizando un voltamperímetro. En estructuras metálicas bien recubiertas se miden las resistividades sólo en los lugares que se consideren de baja resistividad, tales como zonas pantanosas, agrícolas, etc. En estructuras metálicas pobremente recubiertas se deben efectuar mediciones cada 100 metros, pudiendo variar esta distancia según lo amerite el caso. Los datos obtenidos se grafican en papel semilogarítmico de tres ciclos, tomando el eje logarítmico para las resistividades y el eje de escala natural para las distancias; con la gráfica se determinan los puntos críticos que son los que registran los valores más bajos. Se debe levantar un perfil de resistividades en los lugares donde se considere conveniente, de acuerdo al tipo de diseño. 7.2.3

-

Investigación de corrientes parásitas.

-

Conductancia de recubrimientos.

-

Localización de áreas anódicas.

b)

Medición de potenciales de protección para:

-

Pruebas de protección catódica.

Medición de la resistividad.

Valores de medios corrosivos. 0-1000 Ohms-cm

1000-5000 Ohms-cm

-

5000-10000 Ohms-cm 10000-en delante Ohms-cm

Localización de fallas en el cable colector de la cama anódica.

6/54

Altamente corrosivos. Moderadamente corrosivos. Poco corrosivos. Muy poco corrosivos.

Debe tomarse en cuenta la relatividad de estos valores al considerar los valores criticos.


7.3

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Recubrimiento anticorrosivo.

3.

A la estructura metálica por proteger se le debe aplicar un recubrimiento anticorrosivo para aislarla del medio, mitigar la corrosión y hacer más efectiva la protección catódica. Ver normas Pemex y especificación PEP del capítulo de Referencias.

En la entrada y salida de la tubería a estaciones de medición y/o regulación de presión.

4.

En estaciones de bombeo o de compresión, en la tubería de succión y descarga o en la línea principal, corriente arriba y corriente abajo de las estaciones.

5.

En áreas donde existan corrientes parásitas.

6.

En las uniones de metales diferentes para protección contra la corrosión galvánica.

7.

En el origen y final del sistema de tuberías que se desea proteger, para prevenir continuidad eléctrica con otro sistema metálico, en este caso se utilizan las juntas aislantes monoblock.

8.

En la unión de una tubería recubierta con una tubería desnuda.

7.4

Aislamiento eléctrico.

La estructura metálica que se desea proteger debe quedar eléctricamente aislada de cualquier otro tipo de estructura metálica o del concreto que no esté considerado en el proyecto de protección catódica, tales como soportes de tubería, estructuras de puentes, túneles, pilotes, camisas protectoras, recubrimiento de lastre, etc. Los aislamientos eléctricos además de impedir fugas de corriente de protección, dividen eléctricamente a la tubería en secciones o tramos, lo que facilita el mantenimiento y control de un sistema de protección catódica eficiente. 7.4.1 Los aislamientos eléctricos deben seleccionarse considerando la temperatura, presión y resistencia dieléctrica que estén presentes en la operación del ducto. Deben evitarse la instalación de estos aislamientos en lugares cerrados donde sea probable la presencia de atmósferas combustibles.

7.5 Pruebas corriente.

de

requerimiento

de

1.

En estaciones de medición y cabezales de pozos.

Estas pruebas de campo forman la parte esencial de las bases de diseño para elaborar un buen proyecto del sistema de protección catódica de una estructura metálica enterrada o sumergida. Las pruebas consisten en aplicar corriente directa a la estructura metálica por proteger, obteniendo datos suficientes para determinar la cantidad necesaria de corriente de protección. También se usan para determinar las atenuaciones de potencial que sirven como base para espaciar los puntos de drenaje, así como para poder calcular el por ciento de área desnuda y diseñar el sistema de protección más conveniente; tales pruebas se deben efectuar en los puntos seleccionados durante el recorrido inicial sobre el derecho de vía; considerando principalmente disponibilidad de energía eléctrica, resistividad del terreno y actividad de las corrientes parásitas.

2.

En conexiones con la tubería principal, tales como líneas colectoras y sistemas de distribución laterales.

El número de pruebas de requerimiento de corriente lo determina el estado del recubrimiento de la estructura metálica por proteger.

En cruzamientos de ríos cuya longitud es considerable, deben instalarse juntas aislantes en los extremos de dichos cruces y así esta sección de la estructura puede protegerse independientemente. Ver norma Pemex No. 2.421.01 y especificación PEP P.3.413.01. 7.4.2 Localización eléctricos.

de

aislamientos

Se deben instalar aislamientos eléctricos en los lugares siguientes:

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7.5.1 Desarrollo de la requerimiento de corriente.

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prueba

de

El equipo y material necesario para hacer esta prueba es el siguiente: -

Fuente de energía eléctrica de corriente directa (máquina de soldar, rectificador portátil, acumulador de automóvil, etc.).

-

Voltímetros de corriente directa con una resistencia interna mínima de 1000 ohms por volt. y con escalas desde 20 mV hasta 10 V.

-

Electrodo (s) de referencia (cobre/ sulfato de cobre saturado).

-

Derivador de corriente.

-

Conductores eléctricos de cobre de diferentes calibres y tipos.

-

Soldadura por aluminotermia.

-

Picos, palas.

-

Tramos de tubo o chatarra para el sistema de tierra.

El polo negativo de la fuente se debe conectar a la estructura metálica, intercalando un derivado que sirve para conectar el instrumento de medición de potenciales y corriente; el polo positivo se debe conectar a una pieza metálica cualquiera, que puede ser tubería de desecho o chatarra, para que muestre una gran área de contacto y facilite la dispersión de corriente hacia el terreno, esta pieza metálica constituirá el dispositivo provisional de tierra y se deberá enterrar a una distancia mínima de 25 metros y máxima de 500 metros de la estructura metálica. Se debe humedecer el terreno para que la pieza metálica haga mejor contacto con el suelo, en caso de seleccionarse un punto donde no existan depósitos o corrientes de agua. Antes de efectuar la prueba se deben instalar puntas soldadas a la tubería a cada 5 kilómetros, en caso de que la tubería cuente con derecho de vía transitable, de no ser así las puntas se deben instalar en aquellos lugares de fácil acceso. Se debe aislar perfectamente la conexión entre la

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punta (alambre de cobre No. 12 AWG) y el tubo para evitar la pérdida de corriente protectora. Antes de aplicar la corriente se debe medir los potenciales naturales en el punto de drenaje y en las puntas de prueba, esto nos indica el grado de aislamiento y el estado dieléctrico del recubrimiento anticorrosivo de la tubería enterrada. También se debe determinar la resistividad en el lugar donde se instala el dispositivo provisional de tierra. Es factor importante para la selección de los puntos de drenaje, la existencia de líneas de conducción eléctrica de las siguientes tensiones: 110, 220, 440V; 6.6, 13.2, 15, 23 ó 34.5 KV, cercanas al lugar donde se efectuarán las pruebas de requerimiento de corriente, sobre todo si se piensa instalar un sistema de protección a base de corriente impresa. La aplicación de corriente se debe hacer sin exceder el potencial estructura-electrólito, de –2.5 volts en el punto de drenaje para no dañar el recubrimiento de la estructura metálica. Se deben medir la tensión y la corriente de la fuente aplicados al principio y periódicamente se anotan los valores de potencial estructura electrólito, tensión y corriente aplicadas, y la hora en que se efectúan. El potencial estructura-electrólito tiende a subir a un valor máximo constante, mientras que con la tensión y la corriente sucede lo contrario: Esto se debe a la polarización de la estructura metálica y el tiempo en que esto se logra es muy variable, dependiendo principalmente, del estado del recubrimiento y de la resistividad del electrólito. Durante el tiempo de la prueba se deben medir y anotar los potenciales estructura-electrólito, la hora en que se efectuaron a lo largo de la estructura metálica, suspendiéndose las pruebas en el punto en que se obtiene un valor de –0.85 volts, esto mismo se debe aplicar a toda la estructura metálica por proteger. Con los valores así obtenidos se determina el por ciento de área desnuda y la corriente de protección.


7.6 Dispositivos corriente.

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de

b)

Son más caras en su instalación que las camas superficiales con similar corriente de salida.

Los sistemas de protección catódica por medio de corriente impresa, generalmente utilizan rectificadores de corriente alterna como fuente de corriente directa.

c)

Existen otras fuentes de corriente que pueden usarse bajo circunstancias especiales como son: Generadores mecánicos, generadores de viento, baterías, celdas solares y turbinas.

La inspección, reemplazo o reparación de componentes de la cama puede ser difícil en instalaciones de camas anódicas profundas de pozo cerrado.

d)

Las camas anódicas profundas de pozo cerrado requieren de consideraciones especiales de diseño, porque son susceptibles a bloqueo de gas.

e)

La compactación del material de relleno alrededor del ánodo en una cama anódica profunda es difícil de lograr. Con el material de relleno de alta densidad puede lograrse la compactación. Una compactación pobre en ausencia de material de relleno puede causar un deterioro acelerado del ánodo.

f)

Las camas profundas de pozo requieren de un electrólito acuoso.

7.7

para

impresión

Camas anódicas de pozo profundo.

Las ventajas y desventajas siguientes son características de las camas anódicas de pozo profundo y deben considerarse en el diseño. Ventajas. a)

Pueden localizarse en áreas congestionadas donde las camas anódicas superficiales tienen interferencias o en derechos de vía problemáticos.

abierto

b)

Tienen menor resistencia que las camas anódicas superficiales en áreas de alta resistividad.

g)

Las camas profundas de pozo abierto pueden requerir de una envolvente no conductora para prevenir derrumbes.

c)

Distribuyen mejor la corriente.

h)

d)

Se eliminan los posibles daños accidentales que puedan ocurrir en camas anódicas superficiales, como excavaciones y labores agrícolas.

La determinación del funcionamiento de la cama anódica profunda es más difícil y menos exacta que las camas anódicas superficiales.

e)

f)

Los afectan menos las variaciones temporales de humedad y están menos propensos a heladas. El uso de camas profundas de pozo abierto y pozo cerrado, diseñadas específicamente para reemplazo de ánodos facilitan la inspección, reparación y el reemplazo de los componentes de la cama ánodica.

7.7.1 Selección del sitio de alojamiento de la cama anódica del tipo profundo. Debe obtenerse toda la información concerniente a la estratigrafía, hidrología y litología del lugar donde se pretenda ubicar una cama anódica de este tipo. Deben considerarse los factores geográficos que se presenten por futuras congestiones urbanas en el terreno.

Desventajas. a)

Es difícil efectuar pruebas de requerimiento de corriente para efectuar el diseño de una cama anódica de este tipo.

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Para el terreno y las características geológicas del lugar, se deben averiguar si se requiere el uso de revestimientos u otros dispositivos de protección para evitar contaminación o daños al medio.


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Debe considerarse el aprovechamiento de la energía eléctrica del lugar. Debe considerarse la prevención de daños mecánicos y eléctricos a toda estructura ajena, como tuberías, pozos, minas y túneles en las cercanías de la cama anódica.

corriente de salida total de proyecto, el tamaño, la forma, el peso y la relación de área al peso de los ánodos, el relleno, la resistencia de la cama anódica calculada, la vida útil y otros factores de diseño. 7.7.4

Alambre conductor del ánodo.

Las mediciones de la resistividad del suelo son datos de diseños útiles.

Cada ánodo debe conductor aislado.

7.7.2

El calibre mínimo para el conductor eléctrico debe ser de 8 AWG.

Pozo del ánodo.

El diámetro del pozo puede variar de acuerdo al diseño de la cama anódica, de 6 a 12 pulgadas (15 a 30 cm). La profundidad del pozo depende del estrato de la superficie, el número y la longitud de los ánodos. 7.7.3

Debe evitarse conductores.

el

contar

con

empalme

un

de

alambre

alambres

Los ánodos pueden requerir un soporte adicional para el bajado o colgado en el pozo del ánodo.

Selección de materiales.

La selección de materiales consideración especial.

debe

tener

una

Los materiales como el grafito, acero al alto silicio y cromo platino y hierro pueden considerarse para ánodos en camas de pozo profundo.

La selección del aislamiento del alambre conductor debe basarse en las condiciones del medio. El aislamiento debe ser continuo, tener propiedades dieléctricas, tener alta resistencia a la abrasión y a las rupturas por esfuerzo. 7.7.5

Debe considerarse el área de superficie del ánodo, su peso y su descarga de corriente. Los ánodos de grafito son útiles en forma tubular, cilíndrica o barra cuadrada. El hierro al alto silicio es útil en barras cilíndricas o en formas tubulares ya que es resistente en medios con halógenos. El revestimiento de platino y los ánodos platinizados con materiales de titanio, nobelio o tántalo, son útiles en forma de alambres de diámetro pequeño, malla de alambre y barras. El acero en formas tales como rieles, barras, tubos, pueden instalarse como ánodos continuos; la parte superior puede ser recubierta para minimizar la descarga de corriente de esta área. El número de ánodos y el material de estos, lo determinan los factores siguientes: El medio, la

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Conexión conductor ánodo.

Esta conexión debe ser de baja resistencia, de sello hermético contra la humedad y tener resistencia mecánica para soportar al ánodo. 7.7.6

Relleno.

En pozos cerrados, debe usarse relleno conductivo para bajar la resistencia total de la cama anódica, proporcionar una adecuada distribución de corriente y prolongar la vida del ánodo, retardar derrumbes y presentar un medio permeable para la migración de gases. El coque metalúrgico y calcinado y el coque de petróleo son recomendables como material de relleno. En la selección de un relleno, se deben considerar la resistividad, el tamaño de partícula, el peso específico y el análisis químico.


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Si no se requiere que el relleno sea permanente, el gráfito en escamas puede usarse como material de relleno conductivo.

b)

El relleno no conductivo como la arena y gravilla pueden usarse arriba o abajo del relleno conductivo para prevenir derrumbes y dar permeabilidad. 7.7.7

Para una interpretación valida se debe efectuar la corrección a que haya lugar debido a la caída de voltaje óhmica originada durante la medición.

Camisa o envolvente.

La camisa puede requerirse para el control de derrumbes y para prevenir descargas de corriente no deseadas.

c)

Un cambio de voltaje negativo (catódico) mínimo de 300 milivolts respecto del potencial natural, producido por la aplicación de la corriente de protección. El cambio de voltaje se mide entre la superficie de la estructura y un electrodo de referencia de Cu/Cu SO4 saturado, en contacto con el electrólito. Este criterio no se aplica a estructuras en contacto con metales diferentes.

d)

Un cambio de voltaje de polarización negativo (catódico) mínimo de 100 milivolts medido entre la superficie de la estructura y un electrodo de referencia de Cu/Cu SO4 saturado, en contacto con el electrólito.

Pueden usarse camisas metálicas tales como acero, hierro y aluminio si la camisa no provoca descargas de corriente indeseable en (o) cerca del nivel del terreno. Pueden usarse camisas no metálicas tales como cemento-asbesto y termoplástico para prevenir descargas de corriente cerca del nivel del terreno. 7.7.8

Ventilación.

En las camas de pozo profundo puede haber presencia de gases producidos por electrólisis, por lo que deben de contar con un tubo de ventilación adecuado, para que los gases puedan disiparse a la atmósfera. Para la ventilación pueden usarse metálicos, como los plásticos.

tubos no

La selección de materiales debe basarse en las condiciones ambientales y en los requerimientos mecánicos. 7.8

Un potencial de protección negativo tubo/suelo de 0.95 volts, cuando la tubería se encuentre en condiciones anaeróbicas y estén presentes baterías sulfato-reductoras.

Criterios para protección catódica.

Este cambio de voltaje de polarización debe determinarse interrumpiendo la corriente de protección y midiendo el abatimiento de la polarización. Al interrumpir la corriente, ocurre un cambio inmediato de voltaje. La lectura del voltaje después del cambio inmediato debe usarse como base de la lectura a partir de la cual se mide al abatimiento de la polarización. 7.9

Consideraciones de diseño.

Para proporcionar protección catódica a las estructuras de hierro fundido y acero es necesario:

En el diseño de un sistema de protección catódica para estructuras metálicas enterradas o sumergidas debe considerarse:

a)

a)

Un diseño económico en su instalación operación y mantenimiento.

b)

La selección y especificación de materiales y procedimientos de instalación que aseguren una buena operación del sistema, durante el tiempo para el cual fue diseñado.

Un voltaje negativo (catódico) de 0.85 volts como mínimo, medido entre la superficie de la estructura y un electrodo de referencia de Cu/CuSo4 saturado (ver tabla 1) en contacto con el electrólito. La determinación de este voltaje debe hacerse con la corriente de protección aplicada.

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c)

7.10

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Un diseño que evite excesiva corriente de protección la cual puede causar efectos adversos en la estructura metálica por proteger, en el recubrimiento o en estructuras metálicas enterradas o sumergidas vecinas. Objetivos principales.

Los objetivos principales que debe cumplir un sistema de protección catódica son los siguientes: Proporcionar suficiente corriente a las estructuras metálicas para su protección y distribución, de tal manera que se cumpla con el criterio de protección seleccionado. Minimizar las corrientes de interferencia que afecten a estructuras metálicas vecinas. Proporcionar al sistema anódico una vida útil congruente con la vida de la estructura metálica.

c)

Especificaciones de la tubería, conexiones y otros accesorios.

d)

Tipo y calidad del recubrimiento anticorrosivo y/o del lastre de concreto, años de servicio.

e)

Instalaciones adyacentes.

f)

Camisas.

g)

Aislamientos eléctricos.

h)

Puenteos eléctricos.

i)

Requisitos de seguridad.

j)

Cruzamientos aéreos y subfluviales.

k)

Condiciones de operación de tubería.

8.1.2

Lugar donde se aloja la tubería.

Proporcionar una tolerancia adecuada al sistema para cambios en los requerimientos de corriente con el tiempo.

a)

Sistemas de protección catódica existentes o propuestos.

Colocar los ánodos donde la posibilidad de daños sea mínima.

b)

Posibles fuentes de interferencia.

c)

Condiciones especiales del ambiente

d)

Estructuras metálicas enterradas vecinas.

e)

Accesibilidad a la tubería.

f)

Disponibilidad de energía eléctrica.

g)

Factibilidad de aislamiento eléctrico de las estructuras vecinas. Corrientes de agua.

7.11

Dibujos.

Deben prepararse todos los dibujos que muestren el sistema de protección catódica empleado con detalle y precisión, incluyendo anotaciones y especificaciones. (Ver 8.1.6.).

8.

Diseño.

h)

8.1

Tuberías enterradas y/o sumergidas.

8.1.3

8.1.1

Información útil para el diseño.

a)

Requerimientos de corriente de protección y número total de puntos de drenaje de corriente.

b)

Resistividad del electrólito.

c)

Continuidad eléctrica.

a)

b)

Planos de ruta, cartas de navegación (en tubería submarina). Datos constructivos.

12/54

Investigaciones y pruebas de campo.


d)

Aislamiento eléctrico.

e)

Registro de fugas.

f)

Corrientes de interferencia.

g)

Potenciales tubo-electrólito.

h)

Análisis químico del medio.

i)

Otros datos de operación y mantenimiento.

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8.1.4 Consideraciones que influyen en la selección del tipo de sistema de protección catódica. a)

La falta de corriente eléctrica excluye el uso de un sistema de corriente impresa.

b)

Las corrientes parásitas que causan fluctuaciones significativas de potencial tubosuelo, pueden excluir el uso de ánodos galvánicos.

c)

Los efectos de las corrientes de interferencia producidas por un sistema de protección catódica con corriente impresa sobre estructuras adyacentes, puede limitar su uso.

e)

La instalación a futuro de otras tuberías en el mismo derecho de vía.

g)

Los costos de mantenimiento.

instalación,

operación

y

8.1.5 Factores que determinan la corriente de salida de los ánodos, su vida útil y su eficiencia.

Las pruebas de campo previas al diseño no siempre se requieren, sobre todo si hay experiencias anteriores o hay datos disponibles para estimar requerimientos de corriente, resistividad y otros factores de diseño.

d)

f)

En tuberías donde no hay corrientes parásitas y donde hay disponibilidad de corriente eléctrica, la magnitud de la corriente de protección que se requiere es el factor determinante. La posibilidad de protección con ánodos galvánicos puede establecerse cuando los requerimientos de corriente, la resistividad del electrólito y el potencial tubosuelo han sido razonablemente estimados mediante pruebas de campo. La disponibilidad de espacio, la proximidad de otras estructuras y las facilidades de acceso, instalación y mantenimiento.

13/54

a)

Para una corriente de salida determinada, la vida de un ánodo depende del material del ánodo, de su peso y del número de ánodos en el sistema de protección catódica.

b)

Los datos sobre dimensiones, profundidad y configuración de los ánodos, así como la resistividad del electrólito, pueden utilizarse para calcular la resistencia al electrólito de un solo ánodo o de un grupo de ánodos.

c)

El comportamiento de los ánodos galvánicos en la mayoría de los suelos puede mejorarse utilizando un material especial de relleno (Backfill). Mezclas de yeso, bentonita y sulfato de sodio son las comúnmente usadas.

d)

El número de ánodos para corriente impresa puede reducirse y su vida útil alargarse mediante el uso de un relleno especial (Backfill) alrededor de los ánodos. Los materiales más comunes son coque y grafito natural o fabricado.

e)

En el diseño de un sistema a base de corriente impresa con ánodos extensamente distribuidos, debe considerarse la atenuación del voltaje y de la corriente a lo largo del conductor de conexión. En tal caso, el objetivo del diseño será optimizar el tamaño de la cama anódica, el espaciamiento, las dimensiones de los ánodos y el calibre del conductor para conseguir un control eficiente contra la corrosión en toda la tubería.

f)

Donde pueda anticiparse que el entrampamiento de gas, generado por las reacciones anódicas, pudiera perjudicar la habilidad de la cama anódica de corriente impresa para liberar la corriente requerida, se tomarán las precauciones adecuadas para


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ventear los ánodos. Un incremento en el número de ánodos puede reducir el bloqueo de gas. g)

h)

i)

j)

k)

8.1.6

Donde pueda anticiparse que efectos electroosmóticos pudieran perjudicar la habilidad de la cama anódica de corriente impresa para liberar la corriente requerida, se tomarán las precauciones convenientes para asegurar una adecuada humedad del suelo alrededor de los ánodos aumentando el número de ánodos de corriente impresa pueden reducirse los efectos electro-osmóticos. En tuberías submarinas, el método usado para fijar los ánodos a la tubería debe estar de acuerdo con el tipo y aplicación de estos, debiendo mantenerse la continuidad eléctrica. Los ánodos de magnesio son muy activos y se desgastan rápidamente en agua de mar, por lo que no se recomienda su uso, ya que de hacerlo deben reponerse con frecuencia, para este caso, se recomienda utilizar ánodos de aluminio-indio. Un recubrimiento de lastre que no haya sido aplicado adecuadamente puede anular totalmente o reducir parcialmente la eficacia del sistema de protección catódica. Los ánodos o cables arriba de la línea de lodo del lecho marino están expuestos a daños causados por dragados, anclas, buques, redes, etc.

b)

Ubicación de las instalaciones de protección catódica.

-

Acceso a las instalaciones de protección catódica.

-

Tipo de cable y soldadura empleados.

-

Número, tipo, peso, profundidad ánodos.

-

Resistividad del terreno.

-

Cantidad y tipo de relleno.

-

Arreglo del sistema de protección catódica.

-

Nombre del dueño del terreno donde se localiza la instalación de protección catódica.

espaciamiento

y

Para corriente impresa: Además de galvánicos:

los

incluidos

para

ánodos

-

Capacidad del rectificador o de la fuente de corriente impresa empleada.

-

Capacidad de la subestación eléctrica.

-

Tipo de caseta rectificador.

c)

Número y tipo de postes de señalamiento y registro.

de

protección

para

el

Dibujos de diseño.

Deben prepararse todos los dibujos que muestren con detalle y precisión el sistema de protección catódica empleado. Los dibujos deben incluir: a)

-

Datos de la tubería por proteger, tales como diámetro, servicio, longitud, estructuras vecinas enterradas y/o sumergidas, aislamiento eléctrico, etc. Datos del sistema de protección catódica para ánodos galvánicos:

14/54

Todas las desviaciones de las especificaciones deben anotarse en los dibujos. 8.2

Plataformas marinas.

8.2.1 Información útil para el diseño de un sistema de protección catódica. a)

Reglamentos de construcción.


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b)

Datos de construcción en tierra y en mar.

-

Densidad de corriente de protección para encontrar el criterio aplicable.

c)

Número, tamaño y localización de tuberías de elevación.

-

Resistividad del agua.

d)

Recubrimiento.

-

Especificaciones de construcción.

e)

Aprovechamiento de energía eléctrica.

-

Aislamiento y continuidad eléctrica.

f)

Puntos de medición de control de corrosión.

-

Corrientes de interferencia.

g)

Requerimientos de seguridad.

-

Mantenimiento y datos de operación.

h)

Accesibilidad de instalación de equipo. -

Verificar si existen otros sistemas protección catódica en ese medio.

i)

Vida prevista de la plataforma.

j)

Nivel del agua.

8.2.2

8.2.4 Selección del sistema de protección catódica.

Condiciones del lugar.

De acuerdo al lugar en que se encuentra la estructura metálica, debe considerarse lo siguiente: -

Profundidad del lecho, contenido de oxígeno, velocidad, turbulencia, temperatura, resistividad, sedimentos, arena y sólidos en suspensión. En la tabla 9 se observan los factores ambientales para el Golfo de México.

-

Confiabilidad en el mecanismo futuro y en el mantenimiento, incluyendo los factores del costo.

-

Instalaciones vecinas, incluyendo tuberías.

-

Aislamiento eléctrico de otras estructuras metálicas que puedan provocar fugas de corriente.

-

de

Sistemas de protección catódica existentes o propuestos.

8.2.3 Reconocimiento del terreno, pruebas de corrosión y experiencia de operación.

Las áreas sumergidas de las estructuras marinas de acero deben protegerse con protección catódica, pudiendo usarse el sistema de ánodos galvánicos, el de corriente impresa o una combinación de estos métodos, considerando la disponibilidad de energía eléctrica y su confiabilidad. a)

Sistema de corriente impresa. Este tipo de sistema se puede diseñar para un montaje directo en la estructura, si es que se aprobó este tipo de protección durante el diseño y construcción de la estructura. En los casos en que el sistema de corriente impresa debe ser instalado en estructuras marinas existentes, los ánodos pueden ser montados en la estructura o colocados en el fondo del mar alrededor de dicha estructura. La tabla 8 muestra el consumo de materiales para ánodos de corriente impresa. Por seguridad y economía las plataformas marinas pueden protegerse con un punto de drenaje de corriente impresa, instalado en la misma plataforma.

Ventajas:

Para este caso se necesitan los siguientes datos:

15/54


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-

Se le añade poco peso a la estructura por proteger.

-

Variabilidad de entrega de corriente.

-

Costo inicial de instalación menor que el costo inicial de un sistema de ánodo galvánico.

-


-

Tensión del plataforma.

a

la

-

Prevención del daño mecánico en instalación, el montaje y la operación.

la

-

Vida útil del material del ánodo.

-

Limitación en cuanto al área en la plataforma.

ánodo

con

respecto

Desventajas: -

Pérdida completa del sistema de protección catódica en el caso de una falla en la fuente de energía o en las conexiones de los ánodos.

Distribución de los ánodos. La cantidad calculada de ánodos debe quedar distribuida proporcionalmente, ver Figuras 11,12,13,14,15,16 y 17 y deben sujetarse como lo muestra las figuras 9 y 10.

-

La distribución de corriente no es muy adecuada.

-

La instalación requiere un mantenimiento mayor que el de los ánodos galvánicos, durante el servicio de la estructura.

La Figura 18 muestra una idea general de la estructura metálica sumergida.

b)

Sistema de ánodos galvánicos.

8.2.5 Zonas principales de la actividad de corrosión en plataformas marinas.

Los ánodos galvánicos deben ser aleaciones de metales como Magnesio, Zinc o Aluminio; estas aleaciones se presentan en varias formas y tamaños. El comportamiento de los ánodos galvánicos en agua de mar depende de su aleación, ver tabla 7. En la mayoría de los casos el metal del ánodo se funde alrededor de un soporte de tubería gruesa y estos soportes se sueldan a la estructura cuando está siendo construida.

a)

Zona atmosférica.- Es la parte de la estructura que se encuentra continuamente sobre el nivel del mar. Los problemas de corrosión en esta zona se resuelven con el uso de recubrimientos anticorrosivos. Ver especificaciones PEP Nos. P.2.411.01, P.3.411.01 y norma Pemex No. 4.411.01.

b)

Zona de marea y oleaje.- Es la parte de la estructura expuesta intermitentemente a la acción de las olas y mareas. En el Golfo de México esta zona es aproximadamente igual a dos metros. La integridad estructural de la plataforma se mantiene normalmente por el uso de placas de refuerzo usualmente de 13 a 19 mm. de espesor recubriendo la estructura para dar un espesor adicional contra la corrosión, estas placas de refuerzo deben contar con un recubrimiento anticorrosivo. (Ver especificaciones PEP Nos. P.2.411.01, P.3.411.01 y norma Pemex No. 4.411.01).

c)

Zona sumergida.- Es la parte de la estructura que se encuentra sumergida continuamente.

La cantidad necesaria de material del ánodo, depende de los requisitos de corriente para la protección catódica y de la duración deseada del servicio. El método empleado para conectar los ánodos a la plataforma, depende de las condiciones atmosféricas y las facilidades para su instalación, pero debe mantenerse una baja resistencia del contacto eléctrico durante la operación de los ánodos. Puede establecerse la protección con ánodos de sacrificio y la selección de la aleación del ánodo debe hacerse considerando lo siguiente:

16/54


La protección catódica protección de esta zona. d)

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se

usa

para

la

Zona por debajo del fondo del mar, se debe considerar que cierta cantidad de corriente de protección catódica es captada por esta zona.

8.2.6 Factores que determinan los requisitos de la corriente total para la protección catódica. a)

Areas sumergidas. El total de áreas sumergidas que comprenden el área bajo el agua y el área bajo la línea de fango. En las plataformas que contengan pozos, el número actual o el previsto de pozos por perforar. Las estructuras metálicas próximas sin aislar y sin proteger.

b)

Densidad de corriente. Densidad de corriente de protección mínima anticipada del área sumergida. (Este valor puede verse en la tabla 9). La densidad de corriente de la zona bajo el 2 fondo del mar se considera de 11 a 33 mA/m 2 (1-3 mA/pie ). En la corriente de diseño total debe in cluirse de 1.5 a 5 amperes por pozo para compensar la carga de corriente de la tubería de ademe bajo el fondo del mar.

c)

Recubrimientos. Por razones económicas, los recubrimientos se aplican en la zona de marea y oleajes. Donde no exista tal recubrimiento debe considerarse en el diseño de protección catódica la superficie del aislamiento y su deterioro por el tiempo, pues esto incrementa la demanda de corriente de la plataforma. El recubrimiento calizo formado sobre la armadura de la plataforma, origina que al

17/54

aplicar la corriente de protección se reduzca la densidad de corriente requerida para mantener los potenciales de protección pero mejora la distribución de corriente. d)

Eficiencia de la distribución de corriente para ánodos de sacrificio y de corriente impresa. La eficiencia de la distribución de corriente en el sistema de corriente impresa, puede mejorarse instalando ánodos remotos donde sea posible. El sistema de ánodos de sacrificio con varias fuentes de corriente distribuidas (de 3 a 6 amperes cada una), alcanza su eficiencia máxima de distribución de corriente; normalmente se toma una eficiencia máxima de distribución designada para el diseño, si se colocan los ánodos a una distancia mínima de 30.5 cm. (12 pulg.) fuera de la armadura de la plataforma. Los ánodos de corriente impresa tienen una eficiencia de distribución de corriente reducida, si son pocos y se diseñan para salidas de corriente mayor que la de los ánodos de sacrificio. La salida de alta corriente, generalmente provoca sobreprotección de la superficie de la estructura metálica más cercana. Para compensar lo ineficiente en la distribución de corriente, se usa un factor de eficiencia generalmente dentro del rango de 67-80%. El sistema de protección catódica debe diseñarse para suministrar de 1.25 a 1.5 veces la corriente total calculada. Los ánodos, independientemente del tipo de sistema de protección catódica, deben distribuirse vertical u horizontalmente de acuerdo a la corriente calculada de los elementos de la estructura metálica protegida.

8.2.7 Factores que determinan la corriente de salida del ánodo, vida de operación y eficiencia. La vida del ánodo depende tanto de su material como de su peso. Los datos del comportamiento del ánodo instalado, deben usarse para calcular el valor probable de consumo.


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Los ánodos galvánicos deben diseñarse con la suficiente área expuesta a fin de producir la corriente de protección requerida durante la vida del sistema anódico; un cálculo típico de la corriente de salida de un ánodo galvánico puede verse en (9.2.e). El sistema anódico debe contar con material suficiente para suministrar corriente durante el tiempo deseado, basado en los datos de comportamiento del ánodo instalado. El diseño del ánodo galvánico debe considerar entre otros factores, el potencial entre plataforma ánodo, la corriente de salida resultante del mismo y la resistencia del conductor del ánodo. El tiempo de vida del ánodo galvánico, se determina con la expresión: V=

P.u C.I

V = Vida útil de los ánodos, (años). P = Peso neto de los ánodos, (lb). u = Factor de utilización determinado por la cantidad de material anódico consumido cuando los residuos de material anódico no pueden liberar la corriente requerida. C = Rango de consumo del ánodo, (lb/A- año). Entrega de corriente del ánodo, (A).

La forma del ánodo puede afectar el factor de utilización. La selección apropiada de longitud, diámetro y diámetro del núcleo nos da un factor de utilización dentro del rango 0.9 – 1.0. 8.2.8

Los elementos de la plataforma deben reforzarse para soportar los ánodos de mayor peso al ponerlos en su punto de conexión, por medio de placas de refuerzo o por otros métodos aprobados, de modo que sus esfuerzos sean mínimos en ese punto. Debe evitarse la zona de fango ya que algunas aleaciones de aluminio de los ánodos, se deterioran al recubrirse con dicho material. Para el sistema de corriente impresa debe tenerse más cuidado, pues el daño mecánico es mayor por ser pocos los ánodos, ya que cada uno descarga una cierta cantidad de corriente de protección y la pérdida de un ánodo afecta el funcionamiento del sistema. La conexión eléctrica entre el cable de conexión y el cuerpo del ánodo debe ser sólida y a prueba de agua para prevenir el daño mecánico que pueda ser causado por las tormentas y por la inspección de rutina y mantenimiento, además los materiales aislantes del cable deben ser resistentes al cloro, hidrocarburos y materiales químicos nocivos.

Donde:

I=

hincado de pilotes, y el tiempo de tormentas y huracanes.

Aspectos mecánicos y eléctricos.

En sistemas de corriente impresa de plataformas localizadas en mares profundos, se instalan los ánodos en el fondo del mar, montados sobre deslizadores de concreto para estabilizarlos y evitar que se cubran con lodo o sedimento. La mayoría de los materiales para el sistema de corriente impresa funcionan con la máxima eficiencia en agua marina. Los ánodos de corriente impresa deben localizarse lejos de cualquier elemento de la plataforma a una distancia aproximada de 1.5 m (5 pies). Si por alguna razón no es posible esta distancia, se usa un protector dieléctrico para reducir al mínimo el desgaste de la corriente de protección.

La instalación de un sistema de protección catódica debe ser durable y segura.

Es preferible usar un equipo de corriente impresa simple y de fácil mantenimiento, con rectificador de ajuste normal con protección de sobrecarga tanto de corriente alterna como de corriente directa.

Los núcleos de los ánodos se seleccionan de acuerdo a su peso y a los esfuerzos a que se someten durante el montaje de la plataforma, el

En el proyecto debe considerarse tanto el sistema de corriente impresa como el de ánodos galvánicos.

18/54


8.2.9

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Bridas o uniones aislantes.

Deben emplearse bridas o uniones aislantes en la tubería vertical para aislar eléctricamente ambas secciones de tubería y evitar el riesgo de un cortocircuito causado por falla de la unión aislante, acumulación de sales, residuos metálicos u otros materiales conductores. Las bridas o uniones aislantes no deben localizarse bajo la línea de agua y debe considerarse el peligro potencial de chispazos de estos dispositivos para los casos en que la corriente drenada sea alta. 8.3

Sistemas de corriente impresa.

b)

Sistemas de ánodos galvánicos.

8.4

Monoboyas y transporte marino.

8.4.1

Monoboyas.

En las monoboyas existen tres zonas principales de actividad de la corrosión y son: a)

Zona Atmosférica. Ver 8.2.5.a.

b)

Zona de Marea y Aleaje. Ver 8.2.5.b.

c)

Zona Sumergida. Ver 8.2.5.c.

Muelles y embarcaderos.

Estas instalaciones tienen las mismas zonas problemáticas que las plataformas. El diseño del sistema de protección catódica debe incluir los medios para establecer la continuidad eléctrica de todas las partes metálicas sumergidas de la estructura. Las superficies metálicas de las estructuras de los muelles y de los embarcaderos normalmente requieren protección catódica en el lado del agua así como, en el lado de la tierra. Los parámetros a considerar en el diseño de protección catódica para muelles y embarcaderos son los siguientes: a)

Si la superficie está recubierta o desnuda.

b)

Si la protección se obtiene con sistemas de corriente impresa o con ánodos galvánicos.

c)

a)

Si los cascos metálicos de los barcos, barcazas, etc., atracarán al muelle o embarcadero con frecuencia y si dichos cascos se conectan eléctricamente a la estructura metálica de los muelles y embarcaderos. Esto pudiera necesitar un exceso de corriente de protección catódica que habría que considerar durante el diseño para obtener y mantener niveles de protección catódica adecuados en el muelle o embarcadero.

Los medios para establecer la protección catódica son:

19/54

El sistema de protección catódica por medio de ánodos galvánicos es el más indicado para proteger monoboyas contra la corrosión. En la selección de la aleación del ánodo se deben considerar los siguientes puntos. -


-

Tensión del ánodo con estructura de la monoboya.

a

la

-

Prevención del daño mecánico en instalación, el montaje y la operación.

la

-

Vida útil del material del ánodo.

respecto

Los ánodos deben distribuirse proporcionalmente. 8.4.2

Transporte marino.

La técnica de protección catódica es diferente según el navío que se desea proteger, ya sea barco petrolero o barco no petrolero. La protección catódica de la totalidad del casco no siempre se requiere, limitándose la protección a la popa del barco que es la parte del casco que resulta más dañada por la corrosión. Las soluciones de protección catódica aplicada al transporte marino admite numerosas variantes. El


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diseñador debe evaluar si el casco del barco requiere protección catódica completa o únicamente la popa. 8.4.2.1

El peso de magnesio se debe determinar sobre la base de 1 A-h de magnesio consumido; este peso es teórico y debe añadirse un 25% para tener en cuenta la corrosión del magnesio sobre si mismo.

Barcos no petroleros.

Se pueden proteger por alguno de los métodos siguientes: a)

b)

Anodos independientes. No es posible control alguno en el suministro del ánodo. Es conveniente para barcos pequeños. Anodos en paralelo. Los ánodos se unen entre si por vástagos conductores que terminan en el reostato de ajuste, gracias al conductor de ánodo que atraviesa un manguito estanco. El ajuste del reostato puede ser automático o manual.

8.4.2.2

Barcos petroleros.

Dado el riesgo de chispazos inherentes al sistema que comprende un rectificador, se recomienda el uso de ánodos galvánicos. a)

Anodos de Magnesio. El ánodo de magnesio debe durar como mínimo dos años, el lugar recomendado para su fijación es a ambos lados de la quilla de balanceo, para lograr una mejor simetría de protección.

b)

Para el zinc basta con prever un 10% de margen; se calcula el zinc a partir de un desgaste de 0.740 A-h de zinc consumido.

Anodos de Zinc y Magnesio. El cálculo de los ánodos de zinc y de magnesio se efectúa en la forma siguiente:

§

Densidad de trabajo del ánodo:

§

Anodo de 2 mA/cm .

§

Anodo de magnesio que forma parte de un sistema montado en paralelo: no sobrepasar 2 los 50 mA/cm .

§

Anodos de 2 50 mA/cm .

magnesio

zinc,

independiente:

en

todos

70

casos

20/54

En general se cuenta con una duración de dos años para estos ánodos y para los recubrimientos anticorrosivos modernos en muy buen estado, o tras revisión en dique seco. Toda protección debe dar un suministro superior en 30% al calculado teóricamente sobre las bases indicadas. 8.4.2.3

Barcos Encallados.

En barcos encallados, la protección catódica por corriente impresa es más simple que en barcos activos, ya que los ánodos pueden ser colocados a cualquier distancia del casco y dar una distribución de corriente uniforme. Puede considerarse el uso de ánodos portátiles para dar protección durante el encallado, reajuste o rehabilitación. 8.5

Tanques de almacenamiento.

8.5.1

Protección catódica.

Para la protección catódica de cualquier tanque de almacenamiento se deben instalar las juntas de aislamiento en todas las tuberías de conexión de entrada y salida. La protección catódica debe instalarse en el fondo exterior de todos los tanques de almacenamiento que se encuentren en contacto directo con el terreno. La protección catódica para el interior de los tanques de almacenamiento debe diseñarse atendiendo a las propiedades electroquímicas del producto que produzcan éstas, dependiendo de las propiedades electroquímicas del producto que se va a almacenar, ya que de éstas depende el grado de protección del área interna.


8.5.2

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Protección exterior.

8.5.5

Colocación de los ánodos.

Para la parte exterior del fondo del tanque (la que se encuentra en contacto directo con el terreno) se deben emplear ánodos galvánicos distribuidos en tantos grupos como se necesite; el peso de los ánodos se seleccionan, en función del valor de la resistividad del terreno donde se alojarán.

Los ánodos deben localizarse aproximadamente a la mitad de la altura del volumen amortiguador (colchón de agua) y se distribuyen simétricamente en la envolvente, conectados como mínimo 30 cm sobre el fondo para permitir la libre circulación del electrólito.

Si se cuenta con disponibilidad de energía eléctrica puede usarse un sistema de corriente impresa y los rectificadores deben de ser a prueba de explosión. Cualquiera que sea el sistema empleado, se deben instalar tantos postes de registro como puntos de drenaje existan; éstos sirven para verificar las condiciones de operación del sistema.

Los soportes del ánodo se deben fijar con soldadura eléctrica al fondo del tanque.

En las inmediaciones del tanque, debe medirse la resistividad del terreno, principalmente en los lugares en que se tenga posibilidad de contar con una fuente de corriente alterna para el sistema de corriente impresa. 8.5.3

Corriente de protección.

Para determinar la corriente de protección, se debe efectuar una prueba de requerimiento de corriente. En el lugar de más baja resistividad se aplica la corriente y se verifica su efecto en todo el contorno del fondo. Para que la distribución de corriente sea uniforme, debe considerarse una distribución geométrica de los ánodos. 8.5.4

8.5.6

Como los ánodos deben revisarse cada vez que el tanque salga de operación, debe tenerse fácil acceso para medir los potenciales en el exterior mediante registros comunes de medición y en el interior, usando un dispositivo que permita medir el potencial en el centro del tanque. 8.6 calor.

Condensadores e intercambiadores de

8.6.1

Condensadores.

Luego de llegar a la conclusión de que se requiere protección catódica para las cajas de agua de los condensadores, se deben seguir los siguientes pasos: 1.

Considerar la naturaleza de los metales a utilizar en la caja de agua de los condensadores, la chapa tubular y las extremidades de los tubos, a fin de poder evaluar la seriedad del acoplamiento galvánico que ocurrirá.

2.

Calcular las áreas de metal a proteger. Estas áreas comprenden las cajas de agua de los condensadores, la chapa tubular y el total de las extremidades de los tubos hasta una profundidad equivalente a dos veces el diámetro del tubo (aproximadamente).

3.

Luego de considerar si las cajas de agua de los condensadores se revestirán o permanecerán descubiertas, se procede a calcular la cantidad de corriente que se requiere para proteger estas cajas, la chapa tubular y las extremidades de los tubos, lo

Protección interior.

Para esta protección, dependiendo del producto que se almacene, se emplean ánodos galvánicos o de corriente impresa colocados de tal manera que se obtenga una distribución uniforme de corriente en toda el área que se va a proteger. Para la protección catódica interior de tanques de almacenamiento de crudo con ánodos galvánicos, cuyo registro se encuentre arriba del nivel del fondo del tanque, la cantidad de corriente de protección se debe determinar considerando la cantidad de superficie expuesta estimada, incluyendo la altura del volumen amortiguador (colchón de agua), después de aplicar el recubrimiento anticorrosivo en el fondo del tanque.

21/54

Accesibilidad de los ánodos.


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cual se calcula con base de aproximadamente 3 mA de corriente por cada pie cuadrado de superficie cubierta. La cantidad de corriente depende básicamente de la naturaleza del revestimiento y del acoplamiento galvánico que se haya establecido entre la chapa tubular y las extremidades de los tubos, así como también entre estas dos y las cajas de agua de los condensadores, tomándose en cuenta que se experimenta un enorme efecto despolarizante como resultado de la turbulencia del agua, en la caja de agua de los condensadores. 8.6.1.1

Sistema de corriente impresa.

Debido a las grandes cantidades de corriente que se requieren para proteger completamente las cajas de agua de los condensadores, se suelen utilizar los sistemas de corriente impresa. Se pueden utilizar ánodos de grafito, de aleación de plomo y plata, de hierro forjado con alto contenido de sílice o de titanio platinizado; el ingeniero encargado del diseño del sistema de protección catódica debe evaluar las ventajas y desventajas de los distintos tipos de ánodos, al seleccionar el tipo de ánodo que proporcione un servicio satisfactorio.

agua de los condensadores, directamente debajo de cada ánodo, a fin de disminuir la gran concentración de corriente en esta zona o bien, instalar barras más largas en los ánodos para, de este modo, separar los ánodos de las paredes de las cajas de agua de los condensadores, permitiendo una mejor distribución de la corriente de cada uno de los ánodos. Se pueden utilizar rectificadores tipo estándar, pero en ocasiones en las que, debido al cambio periódico de la resistividad del agua, puede ser conveniente emplear un rectificador de potencial constante a fin de asegurar el nivel de salida adecuado de los ánodos, para que las cajas de los condensadores cuenten con una protección total. Otras instalaciones pueden utilizar rectificadores de corriente constante para asegurar que la cantidad de corriente que se emite, sea la que se requiere para proteger totalmente las cajas de agua de los condensadores, la chapa tubular y las extremidades tubulares, sin consideración de la resistividad del agua. 8.6.1.2

Sistemas de ánodos galvánicos.

Este sistema de protección se puede emplear en los casos en que las cajas de agua de los condensadores, las chapas tubulares y extremidades tubulares, están revestidas.

Al diseñar un sistema de corriente impresa para la protección de las cajas de agua de los condensadores, se debe tomar en cuenta la alta concentración de corriente en la caja, en aquellas áreas inmediatamente adyacentes a los ánodos. Esto se presenta especialmente en aquellos sistemas en que el agua de circulación del condensador no es agua de mar. Es así mismo un problema especial en aquellas áreas en que las cajas de agua de los condensadores están revestidas ya que, ésta elevada concentración de corriente puede resultar en un alto potencial polarizado en estas áreas adyacentes a los ánodos. A su vez ello desunirá el revestimiento como resultado de la evolución del hidrógeno y dañará el revestimiento de las cajas de agua de los condensadores.

Se recomienda utilizar ánodos de magnesio, uno por compartimiento, en la caja de agua de los condensadores de superficie cuando se presenten las condiciones siguientes.

En este caso, es recomendable instalar refuerzos de plástico pegados o atornillados a las cajas de

22/54

a)

Agua de enfriamiento en el interior de los tubos.

b)

Los espejos y/o tubos son de aleación de cobre mientras que la caja es de acero.

c)

El diámetro interior de la caja de agua es mayor de 406 mm.

d)

La profundidad de la caja de agua o canal es mayor de 366 mm.

e)

El claro libre del compartimiento de la caja de agua es mayor de 203 mm.


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La instalación de los ánodos debe efectuarse preferentemente sobre las placas de partición de la caja de agua. No es recomendable el empleo de ánodos galvánicos en los casos en que los acoplamientos galvánicos, que se forman entre las últimas y las paredes de las cajas de agua de los condensadores, son muy críticos o en los casos en que el agua que circula a través del condensador es de alta resistividad. §

Electrodos Permanentes.

Debido a la imposibilidad de penetrar las cajas de agua para tomar lecturas de potencial, se puede instalar un electrodo permanente de zinc, que sirve de referencia. Este electrodo se instala en el interior de la caja de agua, traspasando su perno la pared y aislándolo de ella, para luego conectarlo a una terminal exterior. Es recomendable instalar dos o tres de estos electrodos de referencia permanentes, en sitios críticos distribuidos en la caja de agua. Ellos facilitan la lectura del potencial entre la pared de la caja de agua y los electrodos de referencia de zinc, para así tener información del grado de protección que se está logrando.

decisión se debe basar en los tipos de metales que se empleen en las distintas estructuras de la cámara y la cantidad de corriente que se requiere para la protección completa de las estructuras en el interior de la cámara. Si la cantidad de corriente que se requiere es grande, se elige el sistema de corriente impresa y los ánodos deben ser de hierro forjado con alto contenido de silicio o de grafito; el sistema que se diseña, debe especificar un sistema de instalación que proteja los ánodos contra los posibles daños, que la turbulencia del agua dentro de las cámara de entrada, pueda ocasionar. Cuando se utilizan ánodos galvánicos, las distintas estructuras dentro de la cámara de entrada suelen protegerse independientemente, entre las estructuras principales, las rejillas giratorias y las rejillas de malla angosta y malla ancha. Los ánodos de zinc o de aluminio se utilizan en los casos en que la resistividad del agua es muy baja. Estos ánodos pueden soldarse directamente a las estructuras dentro de la cámara. Los ánodos de magnesio pueden utilizarse si la resistividad del agua es mayor; los ánodos se sujetan directamente a los miembros de acero de las estructuras de la cámara de entrada. 8.6.2

§

Este electrodo se ha desarrollado para hacer pruebas dentro de la caja de agua del condensador. Se trata de un electrodo de referencia de zinc o de un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre, que se instala en la extremidad de una barra larga. Se introduce esta barra a través de una válvula y caja de estopas, instalada en la caja de agua, moviéndola delante de la chapa tubular para medir el grado de protección que se está obteniendo en distintos puntos a lo largo de la chapa tubular de la caja de agua. §

Intercambiadores de calor.

Electrodo de Sonda. Debido a que las cajas de agua de los intercambiadores de calor son considerablemente más pequeñas que las del condensador, se suele utilizar ánodos galvánicos para obtener la protección catódica. En aquellos intercambiadores de calor cuya agua de circulación es de muy baja resistividad (agua de mar, por ejemplo), se recomienda utilizar ánodos galvánicos de zinc o aluminio. En los casos en el que el agua es de mayor resistividad se recomienda utilizar ánodos de magnesio.

Cámaras de Entrada.

Cuando se determine que se requiera la protección catódica para la cámara de entrada de un condensador, el sistema puede ser de tipo corriente impresa o de tipo ánodo galvánico. La

23/54

En las cajas de agua de los intercambiadores de calor de mayor tamaño, se pueden soldar ánodos galvánicos sujetados con flejes alrededor de la periferia de la pared de la caja de agua. En las cajas de agua de los intercambiadores de calor


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más pequeños, se emperna un ánodo galvánico de tipo disco a la tapa de la caja de agua. En cada uno de los casos hay que reemplazar los ánodos aproximadamente cada año o cada 18 meses. Es aconsejable que de ser posible, se efectúen estos reemplazos durante los períodos de mantenimiento periódico de la planta. Tal como en el caso del condensador, las áreas a proteger en el intercambiador de calor han de ser calculadas a fin de determinar el número y el tamaño de los ánodos, para obtener una protección adecuada para las cajas de agua. Ello permite asimismo, calcular la duración del sistema de ánodos galvánicos. 8.7

Control de corrientes parásitas.

8.7.1

Fuentes de corrientes parásitas.

Las fuentes constantes son las salidas fijas de corriente directa, tales como rectificadores para protección catódica y generadores termoeléctricos. Las fuentes fluctuantes son las que tienen una variación en la salida de corriente directa tales como, las alimentaciones para ferrocarriles eléctricos, las máquinas de soldadura eléctrica, los sistemas de fuerza de corriente directa y las corrientes telúricas. Generalmente las corrientes naturales de la tierra no son importantes desde el punto de vista de la corrosión, ya que su magnitud es pequeña o su duración corta.

de torres de transmisión enterrados y contrapesos. 8.7.2

Separación y ruta de la estructura metálica dañada y la causante de la interferencia, además la ubicación de la fuente de las corrientes parásitas.

b)

Magnitud y densidad de la corriente.

c)

Calidad del recubrimiento o ausencia de él en las estructuras metálicas involucradas.

d)

Presencia y ubicación de juntas mecánicas de alta resistencia eléctrica.

Debe mantenerse una separación mínima de 3 metros entre las tuberías de transporte y las bases

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cables

Detección de corrientes parásitas.

El personal de control de corrosión debe estar atento para detectar indicios de interferencia de una fuente vecina, tales como: a)

Cambios de potencial estructura- electrólito en la estructura afectada por una corriente parásita.

b)

Cambios en la magnitud o dirección de la corriente, causada por una corriente parásita.

c)

Picaduras localizadas en áreas cercanas a la estructura que causan la interferencia.

d)

Falla del recubrimiento de protección en una área cercana a la cama anódica o cerca de cualquier fuente de corriente de interferencia.

En áreas donde se sospeche la presencia de corrientes parásitas, se deben efectuar una o varias de las pruebas siguientes: a)

Medición de potencial estructura-electrólito.

b)

Medición del flujo de corriente en la estructura metálica interferida.

c)

Medición de las variaciones en la corriente de salida de la corriente de interferencia.

La severidad de la corrosión causada por las corrientes parásitas depende de varios factores: a)

eléctrica,

8.7.3 Métodos generales para resolver problemas de corrosión causados por corrientes parásitas. a)

Prevención de picaduras o limitaciones del flujo de corrientes parásitas a través de las estructuras metálicas por proteger.

b)

Remoción de los daños causados por las corrientes parásitas en la estructura por proteger, mediante un conductor metálico conectado al lado negativo de la fuente de las corrientes de interferencia.

c)

Impedir el efecto de las corrientes parásitas por medio de protección catódica.


d)

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Quitar o reubicar la fuente de las corrientes de interferencia.

8.7.4 Métodos específicos para resolver problemas de corrosión causados por corrientes parásitas (estos métodos pueden usarse solos o combinados). Diseño e instalación de conectores metálicos de resistencia apropiada. a)

b)

c)

d)

Dispositivos de control unidireccional tales como diodos o interruptores de corriente invertida, pueden requerirse junto con los conectores metálicos, si existen corrientes fluctuantes. Un resistor puede necesitarse en el círculo del conector metálico para controlar el flujo de corriente eléctrica, desde la estructura metálica afectada a la estructura causante de la interferencia. Si la estructura metálica que esta interfiriendo cuenta con protección catódica, la colocación de conectores metálicos puede reducir la magnitud del voltaje de protección. Para compensar este efecto puede ser necesaria una protección catódica suplementaria. Un conector metálico puede no ser apropiado en el caso de una tubería pobremente recubierta o desnuda, que esta causando interferencia en una tubería recubierta, ya que puede incrementar la descarga de corriente. Recubriendo la tubería desnuda o instalando ánodos galvánicos en la tubería recubierta, se pueden reducir los efectos de la interferencia figuras 6, 7 y 8.

La corriente de protección catódica puede aplicarse en la estructura afectada, en aquellos puntos donde la corriente de interferencia esta siendo descargada. Esta descarga puede ocurrir en puntos donde las estructuras se cierran. Los ánodos deben ser instalados en los puntos donde la estructura afectada esta descargando corriente. a)

La fuente de protección catódica puede ser del tipo corriente impresa o por ánodos galvánicos.

25/54

b)

Ajustando las salida de corriente de los rectificadores pueden resolverse los problemas de interferencia.

c)

La reubicación de las camas anódicas de corriente impresa, pueden reducir o eliminar las picaduras causadas por corrientes parásitas en estructuras cercanas.

d)

Cambiando el trazo de las estructuras, evitando fuentes de corrientes parásitas.

e)

Colocar apropiadamente accesorios aislantes en la estructura afectada.

f)

La aplicación de recubrimientos en las áreas estratégicas.

9.

Procedimiento de cálculo.

9.1 Procedimiento de cálculo sistemas de corriente impresa.

para

Para el diseño de un sistema de corriente impresa, se deben considerar los puntos siguientes: Selección de la capacidad de la fuente de corriente directa, para obtener el balance óptimo entre el costo de la cama ánodica y el costo de la energía eléctrica. La intensidad de corriente (corriente directa), es un dato conocido, pues se refiere a la corriente de protección que se ha determinado, por lo general, mediante pruebas de requerimiento de corriente. El voltaje (corriente directa) de salida en el rectificador se calcula con la fórmula: V = Rt I + 3 Donde: V = Voltaje (C.D.) de salida del rectificador, Volts. Rt = Resistencia total del circuito, ohms. I = Intensidad de corriente requerida, Amperes.


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3 = Factor que involucra el potencial de ánodos de grafito y la celda de referencia.

S=

Espaciamiento entre ánodos, pies.

o=

Relleno.

La resistencia total del circuito, Rt es igual a: Considerando una cama anódica en posición horizontal tenemos.

Rt = Rc + Re + Rg o Rh Donde:

Rh =

Rc = Resistencia de los cables del circuito, se calcula conociendo el calibre y longitud de los cables, Ver tabla 2.

  0.00521ρ  4L2 + 4L S 2 + L2 S S2 + L2  Ln 10 + − 1   L ds L L    

Donde: Re = Resistencia de contacto a tierra de la estructura por proteger. Su valor puede obtenerse directamente en el campo y es igual al cambio de potencial obtenido en la estructura, con la corriente de prueba dividido entre esta. Rg = Resistencia del dispositivo de tierra o cama anódica, es la que tiene mayor influencia en el valor de Rt. Rg =

0.00521 ρ  8L 2L  Ln -1+ Ln NL d S 

0 . 656

 N 

Rh= Resistencia de la cama anódica en posición horizontal, conectados en paralelo, ohms. S = El doble de la profundidad del ánodo, pies. L = Longitud del ánodo incluyendo el relleno, pies. Capacidad del transformador. La capacidad del transformador se calcula con la fórmula: C=

Cuando los ánodos de grafito se instalan con relleno se aplica:

IV E F 1000

(KVA)

Donde: Rg =

0.00521ñ  2Lo  1 Ln 0. 565N  +  Ln8Lo − 1 + do S   N

C = Capacidad del transformador. E = Eficiencia del rectificador (0.85).

 0.00521ρο  8L  0.0521ρο  8Lo  − 1 − 1   Ln  Ln  L D Lo do     

I

Donde:

V = Voltaje (C.D.) del rectificador (Volts).

ρ = Resistividad del suelo, ohm-cm.

F = Factor de potencia del transformador (0.80).

N = Número de ánodos en vertical,conectados en paralelo.

posición

L = Longitud del ánodo, pies.

= Intensidad de corriente (C.D.) del rectificador (Amperes).

9.2. Procedimiento de cálculo sistemas con ánodos galvánicos.

para

Para el diseño de un sistema con ánodos galvánicos se deben considerar los puntos siguientes:

D = Diámetro del ánodo, pies.

26/54


a)

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Selección del material de los ánodos a utilizar,de acuerdo a la resistividad del terreno, costo, disponibilidad, eficiencia del ánodo y vida útil deseada.

b)

Selección de la configuración de los ánodos.

c)

Seguridad de funcionamiento.

Ia =

150,000 f ρ

Im =

150,000 fY ρ

z=

150,000 fY ρ

Cálculos. a)

Donde:

Corriente de diseño.

Ia = Salida de corriente de un ánodo de aluminio (mA).

Éd= At Ad dc fs Donde:

Im = Salida de corriente de un ánodo de Magnesio (mA).

Id = Corriente de diseño, amperes.

Iz = Salida de corriente de un ánodo de Zinc (mA). At = Area total por proteger.

f

Ad = Por ciento de área desnuda.

Y = Factor de corrección (tabla 4).

dc = Densidad de corriente.

ρ = Resistividad del suelo, ohms-cm.

fs = Factor de seguridad (1.5) b)

El porciento de área desnuda de una estructura metálica nueva, se considera para efectos de cálculo, dentro del rango de 2-5%.

c)

La densidad de corriente del acero en agua 2 de mar es de 5-6 mA/pies y en suelos es de 2 1-3 mA/pies .

d)

= Factor de corrección (tabla 3).

Intensidad de corriente drenada por ánodo. Las fórmulas siguientes y los datos de la tabla 3 se utilizan para estimar aproximadamente, la salida de corriente de ánodos de Aluminio, Magnesio y Zinc, suponiendo una distancia ánodos- estructura de 3 m. y una resistividad mayor a 500 ohms-cm. Se considera una estructura metálica desnuda o con recubrimiento muy pobre. Los factores de corrección “Y” (tabla 4) corrigen la salida de corriente anticipada para otros valores de potencial tubo-suelo diferente a –0.85 volts en la estructura que va a ser protegida.

27/54

Para estimar la corriente de salida de una tubería bien recubierta, las constantes 150,000 y 50,000 deben multiplicarse por 0.80. Esto supone un promedio de 20% menos de corriente de salida de los ánodos, que la corriente anticipada. Instalación de grupos de ánodos. En este caso la corriente total de salida se puede determinar calculando la salida de un solo ánodo y multiplicando su valor por el factor apropiado (tabla 5). Esta tabla esta basada en la resistencia a tierra de ánodos múltiples, utilizando ánodos verticales de 17 lb empacados en paralelo. Para cálculos aproximados la tabla, puede aplicarse a cualquier otro tamaño de ánodos. Las fórmulas anteriores y las tablas deben usarse únicamente como una guía para estimar las corrientes de salida de los ánodos galvánicos; las verdaderas corrientes de salida solo pueden obtenerse por medición directa en el campo, una vez que se han instalado los ánodos.


e)

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Cálculo de la corriente de salida de un ánodo galvánico. De una modificación de la ecuación de la Dwight´s, la resistencia de un ánodo cilíndrico al electrólito es igual al producto de la resistividad específica del electrólito y ciertos factores relacionados con la forma del ánodo: K 

f)

Número de camas anódicas:

Nc = Donde:

Nc = Número de camas anódicas. Id = Corriente de diseño.

 R = ρ  Ln − 1 L  r  4L

Ic = Corriente por cama anódica. g)

Donde:

Separación entre camas anódicas.

R = Resistencia ánodo-electrólito (ohms).

S =

ρ = Resistividad del electrólito (ohms-cm). K = 0.159, si L y r se expresan en cm; 0.0627, si L y r se expresan en pulgadas; 0.00521, si L y r se expresan en pies. L = Longitud del ánodo (en pulgadas, pies o cm).

Para determinar la corriente de salida de un ánodo galvánico se utiliza la Ley de ohm.

S = Separación entre camas anódicas. L = Longitud del tubo a proteger. Material anódico necesario. La cantidad de material anódico necesario se determina con la expresión:

I = E/R

w =

La ecuación de Dwyht´s es válida cuando 4L/R 16. Para ánodos donde 4L / R<16 o para ánodos que no tengan forma cilíndrica, pueden emplearse ecuaciones como la de Crennell´s (Mc Coy´s). 0.315

L Nc

Donde:

h)

r = Radio del ánodo.

R =

Id Ic

It

Ca

Va

EP

Donde: w = Cantidad de material anódico necesario en (lb) o (Kg). It = Corriente total requerida (Amperes). Ca = Consumo de material anódico (lb / A- año) (kg / A-año) de acuerdo a la tabla 6. Para aleaciones específicas se debe usar el valor correspondiente.

ñ

A

Donde: Va = Vida útil esperada del sistema (años).

R = Resistencia (ohms).

Ep = Eficiencia práctica del material anódico (0.8).

ρ = Resistividad del agua (ohms-cm).

La vida útil de un sistema de protección se considera generalmente de 10 años.

2

A = Area de exposición del ánodo (cm ).

28/54


10.

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Concordancia con otras normas.

11.5 Estandares NACE. Association of Corrosion Engineers).

Esta especificación concuerda parcialmente con la norma oficial mexicana NOM-008-SECRE-1999 en lo referente a algunas definiciones y conceptos básicos de los sistemas de protección catódica, principalmente en ductos.

(National

RP-01-69 Control de corrosión externa de sistemas de tuberías metálicas subterráneas o sumergidas. RP-05-72 Diseño, instalación, operación y mantenimiento de lechos profundos de corriente impresa.

11. 11.1 PEP. 2.421.01

4.411.01

Bibliografía. Normas Pemex

y Especificaciones

Sistemas de Tuberías para Transporte y Recolección de Hidrocarburos. Recubrimientos Anticorrosiva.

para

RP-06-75 Control de corrosión externa tuberías de acero costa-fuera.

en

RP-01-75 Control de corrosión interna en tubos y sistemas de tubería de acero. RP-01-77 Mitigación de efectos de corriente alterna y rayos en estructuras metálicas y sistemas de control de corrosión.

Protección

P.2.411.01 Sistemas de Protección Anticorrosiva a Base de Recubrimientos. P.3.411.01 Aplicación e Inspección de Recubrimientos para Protección Anticorrosiva. P.3.413.01 Instalación de Sistemas para Protección Catódica. P.3.411.02 Recubrimiento Anticorrosivo Externo para Tuberías de Conducción Costa afuera que operan a Altas Temperaturas. 11.2 Manual de Procedimientos Generales. Pemex. Sección prevención de corrosión. Gerencia de Producción. 11.3 Corrosion and its control - Marschall E. Parker The Oil and Gas Journal. 11.4 Control of Pipeline Corrosion – A.W. Peabody.

29/54

RP-03-87 Requisitos metalúrgicos y de inspección para ánodos de sacrificio fundidos para aplicaciones costa-fuera. Publicación No. 54276 Monitoreo de la protección catódica en tuberías enterradas


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Figura No. 1 Protección catódica con corrientes impresa.

CASETA DE PROTECCION SUBESTACION ELECTRICA TIPO POSTE

POSTE TIPO "R" Ó "RA" AL INICIO Y FINAL DE LA CAMA ANODICA RECTIFICADOR DE CORRIENTE ALTERNA POSTE TIPO "R" Ó "RA" PARA MEDICION DE POTENCIAL

+

TUBERIA PROTEGIDA

CABLE ANODICO

CABLE CATODICO

SOLDADURA CADWELD

ANODO DE GRAFITO RELLENO DE COQUE

30/54


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Figura No.2 Protección catódica con ánodos galvánicos.

POSTE DE REGISTRO

NIVEL DE TERRENO SOLDADURA CADWELD

0.8 m

SOLDADURA CADWELD

1.5 m MINIMO PARA

ANODO DE Mg o DE Zn CON RELLENO

Mg

3 A 4.5 m 4.5 m SUGERIDA PARA Mg 1.5 m SUGERIDA PARA Zn

ANODO DE Mg o Zn CON RELLENO

TUBERIA POR PROTEGER INSTALACION DE UN SIMPLE ANODO

INSTALACION DE GRUPOS DE ANODOS

31/54


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Figura No. 3 Medición de potenciales.

VOLTMETRO

VOLTMETRO

V

-

V

-

+

+

ELECTRODO DE REFERENCIA COBRE-SULFATO DE COBRE

NIVEL DE

NIVEL DE AGUA

TERRENO

AGREGAR AGUA EN TERRENOS SECOS

ELECTRODO DE REFERENCIA PLATA-CLORURO DE PLATA

TUBERIA SUMERGIDA

TUBERIA ENTERRADA

NOTA: COLOCAR EL ELECTRODO DE REFERENCIA LO MAS CERCA POSIBLE DE LA ESTRUCTURA.

32/54


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Figura No. 4 Medición de resistividad del suelo con el Vibroground, Método de cuatro electrodos “Wenner”.

+

A

+

+

-

ELECTRODO DE

V

ELECTRODO DE CORRIENTE

CORRIENTE

TERRENO NATURAL

P2

a

C2

a

a

P1 SUELO

C1 VIBROGROUND C2 P2 P1

RESISTIVIMETRO (VIBROGROUND)

C1

ELECTRODOS DE POTENCIAL

a

a

a

SUELO

ELECTRODO DE CORRIENTE f = 191.5 (o) (R)

ELECTRODOS DE

o en pies.

POTENCIAL ELECTRODO DE CORRIENTE

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Figura No. 5 Método del volt-amperimetro (multicombinado) para medir la resistencia del suelo a diferentes profundidades.

VO

L

M TI

T AL

A

ET

RE

RO

S SI

TE

O RE

V

T OL

IM

ET

AL

RO

TA

Y

RE

AM

SI

RE

S

PE

M RI

N TE

T OS

CI

A

ET

NC

ST

IA

AT

O

RO

ELECTRODO DE CORRIENTE

C

A

(-)

P

TO

(+)

P C ELECTRODO DE CORRIENTE TERRENO NATURAL

34/54

ELECTRODO DE POTENCIA


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Figura No. 6 Influencia de la corriente de protección de una tubería en el cruzamiento con una línea sin protección.

CAMA ANODICA RECTIFICADOR

TUBERIA PROTEGIDA

TUBERIA SIN PROTECCION

ZONA CATODICA LINEAS ISOPOTENCIALES CORRIENTE DE PROTECCION EN EL PISO

ZONA ANODICA

35/54


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Figura No. 7 Uso de ánodos galvánicos para el control de corrientes parásitas en cruzamientos de tuberías.

PUNTA DE PRUEBA, UN CONDUCTOR CONECTADO A LA TUBERIA Y OTRO A LA CAMA ANODICA. LOS OTROS CONDUCTORES PARA PRUEBAS DE POTENCIAL.

NIVEL DE TERRENO

ELECTRODO DE REFERENCIA PERMANENTE (ANODO DE Zn DE 5 lb CON RELLENO).

AREA DE DEPRESION DE POTENCIALES

TUBERIA RECUBIERTA Y PROTEGIDA CATODICAMENTE, AFECTADA POR CORRIENTES PARASITAS PROVENIENTES DE UNA LINEA DESNUDA PROTEGIDA

0.80 m.

0.30 m

0.6 a 1.5 m

ANODOS DE Mg o Zn DE 1.8 m. DE LONGITUD CON RELLENO.

TUBERIA DESNUDA O CON POBRE RECUBRIMIENTO POTENCIAL

36/54


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Figura No. 8 Uso de recubrimientos para eliminar efectos causados por corrientes parásitas. A Y B SON AREAS DE DEPRESION DE POTENCIALES EN LA TUBERIA BAJO PRUEBA, ANTES DE LAS MEDIDAS CORRECTIVAS.

S A´ LINEA AJENA CAUSANTE DE LA INTERFERENCIA.

S B

RECUBRIMIENTO CON BUENA RESISTENCIA MECANICA Y ELECTRICA , APLICADA A LA LINEA AJENA.

LIMITE DEL AREA DE DEPRESION

B´

DE POTENCIAL.

A

S

S TUBERIA PROTEGIDA.

A´ Y B´ IGUAL A DISTANCIAS A Y B, REPRESENTA LA LONGITUD DE LA LINEA AJENA A SER RECUBIERTA.

37/54


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Figura No. 9 Anodo de aluminio en plataforma marina. SECCION "A DETALLE DE Y

5

NOMENCLATURA

A"

6

1

RECUBRIMIENTO ANTICORROSIVO A 0.040 cm DE ESPESOR.

2

ARMADURA DE PLATAFORMA.

3

SOLDADURA DE FILETE DE 0.638 cm. (1/4") ASTM-A-233.

4

SOLERA DE ACERO GALVANIZADO

5

SOLDADURA A 6 . TUBO ESTANDAR.

SOLERA

3

10

6

3

8

10

9

A

6

ROLDANA ESTANDAR DE ACERO SOLDADA A

7

8

8

.BARRA DE ACERO DE ESFUERZO CON ROSCA ESTANDAR EN EL EXTREMO. TUERCA EXAGONAL CON SU DIAMETRO NOMINAL .

A

1

2

3

4

7

5

3

38/54

9

ANODO DE ALUMINIO.

10

ROLDANA DE PRESION DE ACERO.


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Figura No. 10 Sistema de sujeción de ánodos en plataformas marinas.

ROLDANA DE PRESION TUERCA HEXAGONAL

TUERCA HEXAGONAL

ANODO DE ALUMINIO

ANODO DE ALUMINIO RECUBRIMIENTO ANTICORROSIVO SOPORTE

SOLERA DE ACERO GALVANIZADO

SOLDADURA ELECTRICA

SOLDADA AL TUBO ESTANDAR

BARRA DE ACERO

V I S TA

LATERAL

ROLDANA DE PRESION

TUBO ESTANDAR

TUERCA HEXAGONAL

ANODO DE ALUMINIO TUERCA HEXAGONAL SOLERA DE ACERO GALVANIZADO ROLDANA DE PRESION TUBO DE PRESION

SOLDADURA DE FILETE DE 0.036 cm. (1/4)" ASTM-A-233

RECUBRIMIENTO ANTICORROSIVO

BARRA DE ACERO ARMADURA DE LA PLATAFORMA

ROLDANA ESTANDAR DE PRESION SOLDADURA AL TUBO ESTANDAR BARRA DE ACERO

ISOMETR ICO

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Figura No. 11 Elevación de ejes 1 y 4.

SECCION A - B

A

B

NIVEL ( + ) X m NIVEL DEL MAR O m.

NIVEL ( - ) X1 m

NIVEL ( - ) x2 m

NIVEL ( - ) x3 m

NIVEL ( - ) X4 m

NOTA: LAS DOS SECCIONES LLEVAN LA MISMA DISTRIBUCION DE LOS ANODOS

40/55


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Figura No. 12 Elevación de ejes 2 y 3 SECCION A - B

A

B

NIVEL ( + ) X m NIVEL DEL MAR O m.

NIVEL ( - ) X1 m

NIVEL ( - ) X2 m

NIVEL ( - ) X3 m

NIVEL ( - ) X4 m

NOTA: LAS DOS SECCIONES LLEVAN LA MISMA DISTRIBUCION DE LOS ANODOS

41/54


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Figura No. 13 Elevación de ejes A y B.

1

2

3

NIVEL ( + ) X m MAR NIVEL DEL O m.

NIVEL ( - ) X1 m

NIVEL ( - ) X2 m

NIVEL ( - ) X3 m

NIVEL ( - ) X4 m

SECCION 1 -4 NOTA: LAS DOS SECCIONES LLEVAN LA MISMA DISTRIBUCION DE LOS ANODOS

42/54

4


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Figura No. 14 Distribución de ánodos nivel ( - ) X1 m.

ANODOS

43/54


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ANODOS

44/54


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ANODOS

45/54


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Figura No. 17 Distribución de ánodos ( - ) x4 m.

ANODOS

46/54


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Figura No. 18 Localización de los ánodos en la estructura sumergida.

NIVEL DEL MAR, 0 m

NIVEL DEL MAR, 0 m. NIVEL ( +NIVEL ) X m (+) X m NIVEL DEL0 MAR, NIVEL DEL MAR, m. 0 m

NIVEL ( NIVEL - ) X 1 (-) mX 1 m

NIVEL NIVEL ( - ) X 2(-)mX 2 m

NIVEL (-) X 3 m

NIVEL ( - ) X 3 m

NIVEL (-) X 3 m

NIVEL ( - ) X 4 m

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Figura No. 19 Protección de la carena de un barco montaje de los ánodos sobre la quilla antibalanceo.

CARENA CARENA CARENA

CONEXION SOLDADA CINEXION SOLDADA CABLE DE ENLACE CABLE DE ENLACE ELECTRICO ELECTRICO

LAMINA DE MATERIAL AISLANTE LAMINA DE MATERIAL AISLANTE

ANODO ANODO AREA

ANODO

QUILLA ANTIBALANCEO

QUILLA ANTIBALANCEO

ANODO DE PESTAÑA

ANODO DE CLAVIJA

48/54


P.2.0353.01:2000 UNT

- 0.53

- 0.85

- 0.80

- 0.78

0

0.316

0.25

0.242

PROTECCION (COLTS)

POTENCIAL SIN

POTENCIAL DE PROTECCION (VOLTS)

Tabla 1. Equivalencias entre electrodos de referencia.

HIDROGENO COBRE - SULFATO DE PLATA - CLORURO DE CALOMEL SATURADO COBRE SATURADO PLATA

NOTAS: 1.

EL ELECTRODO DE COBRE – SULFATO DE COBRE SATURADO SE USA EN MEDICIONES DE POTENCIAL DE ESTRUCTURAS ENTERRADAS.

2.

EL ELECTRODO PLATA – CLORURO DE PLATA SE USA EN MEDICIONES DE POTENCIAL ESTRUCTURAS SUMERGIDAS EN AGUA DE MAR.

3.

EL ELECTRODO DE CALOMEL SATURADO SE USA EN LABORATORIO.

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Tabla 2 Calibres de alambres estándar americano ( AWG ) resistencias típicas de alambre de cobre comercial.

OHMS POR 303 m ( 1000 PIES) CALIBRE AWG)

CAPACIDAD DE CORRIENTE ( AMPERIOS )

( 21 °C

75 °C

AISLAMIENTO DE HULE

OTRO AISLAMIENTO

( 70 °F )

( 167 °F )

4/0

0.050

0.060

160 – 248

193 –510

3/0

0.062

0.075

138 – 215

166 – 249

2/0

0.080

0.095

120 – 185

145 – 372

1/0

0.100

0.119

105 – 160

127 – 325

1

0.127

0.150

91 – 136

110 – 280

2

0.159

0.190

80 – 118

96 – 241

4

0.254

0.302

60 – 87

72 – 180

6

0.403

0.480

45 – 65

54 - 134

8

0.645

0.764

35 – 48

41 - 100

10

1.02

1.216

25 - 35

31 - 75

12

1.62

1.931

20 - 26

23 - 57

14

2.57

3.071

15 - 20

18 - 43

16

4.10

4.884

6

10

18

6.51

7.765

3

6

USO RECOMENDADO

CAMAS ANODICAS CORRIENTE IMPRESA

INSTALACION ANODOS GALVANICOS

PUNTAS DE MEDICION

20

10.3

12.35

------

------

22

16.5

19.63

------

------

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CONDUCTORES PARA INSTRUMENTOS


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Tabla 3 actores “f” para ánodos.

PESO DEL ANODO lbs

FACTOR “f”

3

0.59

5

0.66

9

0.81

17

1.00

32

1.16

50

1.22

Tabla 4 Factores de corrección “Y”.

POTENCIAL TUBO - SUELO

FACTORES DE CORRECIÓN “Y” MAGNESIO

ZINC

-

0.70

1.14

1.60

-

0.80

1.07

1.20

-

0.85

1.00

1.00

-

0.90

0.93

0.80

-

1.00

0.79

0.40

-

1.10

0.64

0.00

-

1.20

0.50

0.00

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Tabla 5 Factores de ajuste.

FACTORES DE AJUSTE NUMERO DE ANODOS EN PARALELO

ESPACIAMIENTO DE LOS ANODOS (PIES) 5

10

15

20

2

1.893

1.920

1.946

1.964

3

2.455

2.705

2.795

2.848

4

3.036

3.455

3.625

3.714

5

3.589

4.188

4.429

4.563

6

4.125

4.902

5.223

5.411

7

4.652

5.598

6.000

6.232

8

5.152

6.277

6.768

7.032

9

5.670

6.964

7.536

7.875

10

6.161

7.643

8.304

8.679

Tabla 6 Consumo de material.

CONSUMO DE MATERIAL METAL Lb/A - año

Kg/A - año

ALUMINIO

6.5

3.0

MAGNESIO

8.8

4.0

ZINC

23.6

10.7

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Tabla 7 Entrega de corriente y rangos de consumo de ánodos galvánicos en agua de mar.

ALEACION ANODO GALVANICO

CAPACIDAD DE ENTREGA DE CORRIENTE

RANGOS DE CONSUMO

POTENCIAL ANODO – AGUA CON ELECTRODO Ag/Ag CL.

A – h/lb

A – h/kg

lb/A - año

kg/A - año

Aluminio - Zinc Mercurio.

1250-1290

2750-2840

7.0 - 6.8

3.2 – 3.1

Aluminio – Zinc – Indio.

1040-1180

2290-2600

8.4 – 7.4

3.8 – 3.4

Aluminio – Zinc – Estaño.

420-1180

925-2600

20.8 – 7.4

9.5 – 3.4

- 1.0 a - 1.05

354-370

780-815

24.8 – 23.7

11.2 – 10.7

- 1.0 a - 1.05

500

1100

17.5

8.0

- 1.4 a - 1.6

Zinc (MI I–A-18001 H).

Magnesio (aleación H – 1).

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Volts

- 1.0 a - 1.05

- 1.05 a - 1.1


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Tabla 8 Rangos de consumo de materiales para ánodos de corriente impresa.

DENSIDAD DE CORRIENTE EN AGUA DE MAR.

MATERIAL ANODO

A/pie

2

A/m

RANGO DE CONSUMO

2

lb/A año

Pb – 6% Sb – 1% Ag

15 – 20

160 - 220

0.03 – 0.2

Pb – 6% Sb – 2% Ag

15 – 20

160 - 220

0.03 – 0.6

50 – 300

540 – 3200

0.008 – 0.016

Grafito

1–4

10 - 40

0.5 – 0.1

Fe – 14.5 % Si – 4.5% Cr

1-4

10 - 40

0.5 –1.0

Pt

Tabla 9 Factores ambientales en el Golfo de México.

AREA DE PRODUCCION

GOLFO DE MEXICO

RESISTIVIDAD DEL AGUA ( Ω - cm)

TEMPERATURA DEL AGUA (°C)

FACTOR DE TURBULENCIA

20

22

MODERADO

54/54

FLUJO LATERAL DE AGUA

MODERADO

DENSIDAD DE CORRIENTE mA/pie2

mA/m2

5-6

54 - 65

Proteccion Catodica

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