Oblitas Sifuentes Juan Oré Grados Jairo Mirano Goñas Roberth
Hilario Vergara Kevin López Sánchez Jean
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA I.
OBJETIVOS Prevención de la corrosión en un cátodo de acero utilizando una batería de 1.5 V con ánodo también de acero y soluciones con una conductividad eléctrica similar a los suelos.
a)
Fig. a) y b) Sistema de protección catódica de corriente impresa
b)
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA II. FUNDAMENTO TEORICO El sistema de protección catódica con corriente impresa se llevó a cabo aproximadamente cien años después que el de ánodos galvánicos. En este sistema se utiliza la corriente suministrada por una fuente continua para imprimir la corriente necesaria para la protección de una estructura.
Los electrodos auxiliares se hacen de chatarra de hierro, aleación de ferrosilicio, grafito, titanio platinado, etc. Es completamente indispensable la existencia del electrolito (medio agresivo). Fig. Sistema de protección catódica de corriente impresa
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA II. FUNDAMENTO TEORICO Este sistema tiene la característica utilizar como ánodo dispersor de la corriente, materiales metálicos que en mayor o menor grado se consumen con el paso de la corriente. Sin embargo, el intercambio necesario de corriente con el electrolito tiene lugar a través de reacciones electroquímicas, las cuales dependen tanto del material anódico, como del ambiente que rodea al mismo e incluso de la densidad de corriente que éste suministra. Por ejemplo, en el caso de un ánodo de chatarra de hierro o de acero al carbono, la reacción anódica es la de disolución del hierro: Fe
Fe2+ + 2e-
por tanto, el ánodo se consume con el tiempo. Para aquellos ánodos que se pueden considerar insolubles o inertes, por ejemplo el de titanio platinado, la reacción electroquímica puede ser: 4 OH- O2 2 H2O + 4 e2C1C1 2 +2e-
En el suelo y en las aguas naturales
En el agua de mar
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA II. FUNDAMENTO TEORICO Los componentes de un sistema de protección catódica con corriente impresa son: 1. Ánodo dispersor 2. Fuente de corriente continua 3. Cable portador de la corriente.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA II. FUNDAMENTO TEORICO Fuentes de corriente (Rectificadores, Dinamo con motor térmico) El sistema de corriente impresa requiere de una fuente de corriente continua, no importa de dónde provenga, a condición de que se mantenga pese al paso del tiempo. Un sistema de corriente impresa debe de poder funcionar de forma permanente al menos durante diez años.
Ánodos auxiliares Todos estos ánodos van consumiéndose a mayor o menor velocidad con el paso de la corriente. Así, por ejemplo, la chatarra de hierro se consume muy rápidamente y el titanio platinado a un ritmo muy lento. A continuación se describen brevemente cada uno de estos electrodos. • •
Chatarra de hierro Ferrosilicio
•
Grafito
• •
Titanio platinado Tántalo platinado
• Plomo-plata • Titanio-óxido de titanio y óxido de rutenio
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA II. FUNDAMENTO TEORICO Ánodos auxiliares: propiedades Como se ha visto, los diversos tipos de materiales que se utilizan como ánodos para los sistemas de protección catódica con corriente impresa se escogen básicamente en función de sus prestaciones necesarias y del medio en que serán colocados. En general, un buen ánodo debe poseer las propiedades siguientes: Bajo consumo, Densidad de corriente erogada elevada, Pequeñas dimensiones, Baja resistividad, Buena resistencia mecánica, y Elevado potencial de ruptura. Fig. Sistema de protección catódica por ánodo de sacrificio en agua marina
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA II. FUNDAMENTO TEORICO Ánodos auxiliares: propiedades Los ánodos que se utilizan en la corriente impresa pueden dividirse, en cuanto a su consumo, en:
a) Ánodos solubles, b) Semi-inertes e c) Inertes Actualmente se prefieren los inertes ya que, pese a que su costo es más alto, tienen las mejores características.
Fig. Características de los ánodos empleados en protección catódica con corriente impresa.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA II. FUNDAMENTO TEORICO Ánodos auxiliares En el suelo o terreno se usa principalmente la aleación Fe-Cr-Si, mientras que en el agua de mar se tiende a utilizar ánodos inertes del tipo Ti/Pt o Ti/RuO2 (ánodos dimensionalmente estables, DSA).
La elección de un ánodo no se hace solamente en base a su consumo o a la densidad de corriente que puede proporcionar; hay que tener en cuenta, además, sus propiedades de resistencia mecánica, su resistencia a la erosión (como en el caso de que sean utilizados en agua de mar, y sobre todo sumergidos en las inmediaciones del mar o en el fondo marino), su facilidad de instalación, el tiempo de sustitución e incluso su disponibilidad en el mercado. En el terreno, los ánodos pueden ser instalados en un lecho de bentonita o polvo de coque, lo cual crea un medio homogéneo, húmedo y de baja resistividad alrededor del ánodo, con lo que se aumenta su diámetro aparente y las dimensiones efectivas del ánodo, y se disminuye de esta forma la resistencia ánodo-suelo, se evitan los problemas de corrosión localizada que pueden romper el ánodo y reducir el consumo del material anódico.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA II. FUNDAMENTO TEORICO APLICACIONES • En tanques de almacenamiento de productos petroleros.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA II. FUNDAMENTO TEORICO APLICACIONES a) La resistividad del medio o electrolito no constituye una limitación seria para el sistema de corriente impresa, una vez ajustada la diferencia de potencial necesaria para proporcionar dicha corriente. b) Este sistema es el indicado para estructuras medias y grandes. c) El sistema necesita de un seguimiento operacional, especialmente de una inspección periódica del equipo de impresión de corriente. La inspección de los ánodos puede ser menos frecuente ya que están proyectados para una vida útil de 20 años o más. d) Es recomendable para estructuras que puedan presentar problemas de corrientes parásitas o vagabundas, ya que permite su control. e) El sistema de corriente impresa permite un amplio intervalo de regulación mediante la variación del voltaje de salida de los equipos para la impresión de la corriente, siempre y cuando se proyecte en forma adecuada. f) En general, el costo inicial es mayor que el de un sistema de ánodos galvánicos, a menos que se trate de una estructura muy grande y diseñada para una vida útil larga. g) Este sistema está sujeto a interrupciones en su funcionamiento como consecuencia de fallos en el suministro de energía eléctrica y defectos en el equipo propio para la impresión de la corriente. h) Tiene la posibilidad de inversiones de polaridad.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA III. MATERIAL Y EQUIPO Electrodo de Referencia
V -
BATERIA
+
Solución
Placa de acero
Ánodo de Hierro
Fig. Equipos y materiales en practica de protección catódica de corriente impresa
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA III. MATERIAL Y EQUIPO V
2
1 1.
Plancha de acero al carbono (4x25x0.5) cm
2.
Ánodo de acero (4x5x0.5)cm
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA III. MATERIAL Y EQUIPO V BATERIA
4
3
3.
Electrodo de Referencia (Cobre/CuSO4 saturado)
4. Batería de 1.5 V (2 unidades)
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA III. MATERIAL Y EQUIPO 5 V
6
5. Voltímetro
6. Cables de conexión y cocodrilos
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA III. MATERIAL Y EQUIPO V
7 8 7. Solución: Solución A:
8. Bandeja de vidrio
mg mg 𝐌𝐠𝐒𝐎𝟒 . 𝟕𝐇𝟐 𝐎 + 200 𝐂𝐚𝐒𝐎𝟒 . 𝟐𝐇𝟐 𝐎 L L mg mg + 350 𝐂𝐚𝐂𝐥𝟐 . 𝟐𝐇𝟐 𝐎 + 100 𝐍𝐚𝐇𝐂𝐎𝟑 300
L
L
Solución B: Similar a la solución A pero diluido 10 veces
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA III. MATERIAL Y EQUIPO
Soldimix
Vaso de Precipitado
Maquina de Soldar
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA IV. PROCEDIMIENTO a. b. c.
Soldar ambos lados de la plancha de acero con un cable grueso de cobre que va a servir como conexión. Cubrir la parte soldada descubierta de cobre con soldimix y desbastar la superficie de acero. Proceder de manera similar con el ánodo (acero).
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA IV. PROCEDIMIENTO d. Llenar la solución suelo A (solución concentrada) en el recipiente de vidrio.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA IV. PROCEDIMIENTO e. Registrar los valores de voltaje como una función de la distancia desde el extremo del ánodo, al mover el electrodo de referencia (ECSCS) a lo largo de la barra de acero.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA IV. PROCEDIMIENTO f. Establecer la conexión eléctrica del ánodo con el cátodo a través de una batería. g. Medir el potencial a lo largo de la plancha, utilizando el electrodo de referencia ECSCS y el voltímetro.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA IV. PROCEDIMIENTO h. Realizar el mismo procedimiento para la solución suelo B (solución diluida 10 veces).
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA 0
V. RESULTADOS
0
-618
4
-607
8
-618
12
-621
16
-616
20
-623
Potencial (mV)
SIN PROTECCION CON PROTECCION
Voltaje (V)
10
15
-200
SUELO A Distancia (cm) 0
5
-400 -600 -800 -1000 -1200
Distancia (cm) 0
Voltaje (v)
4
-830
8
-722
12
-680
16
-658
20
-653
Distancia de la placa en cm
-990
380 mV
20
25
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA 0
V. RESULTADOS
0
5
10
15
-100
CON PROTECCION
Distancia (cm) 0
Voltaje (V) -517
4
-520
8
-526
12
-522
16
-533
20
-540
Distancia (cm) 0
Voltaje (v)
4
-608
8
-615
12
-580
16
-568
20
-559
-200
Potencial (mV)
SIN PROTECCION
SUELO B
-300
-400 -500 -600 -700
Distncia de la placa en cm
-620
110 mV
20
25
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA VI. CUESTIONARIO a) Puede la protección catódica ser usada para proteger estructuras de cobre? Para que la protección catódica pueda funcionar, el ánodo debe tener un potencial menor (es decir, más negativo) que el potencial del cátodo (la estructura a proteger). La siguiente tabla muestra qué metales se pueden combinar.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA VI. CUESTIONARIO b) Mencione las desventajas de este método de protección? Ventajas • Puede diseñarse para un amplio intervalo de potencial y corriente. • Un ánodo o lecho anódico puede suministrar una gran corriente. • Con una sola instalación se puede proteger superficies muy grandes. • Potencial y corriente variables. • Se puede utilizar en ambientes de resistividad elevada. • Eficaz para proteger estructuras no recubiertas o mal recubiertas.
Limitaciones • Puede causar problemas de interferencia. • Está sujeto a rotura de la fuente de corriente. • Requiere de una inspección periódica y de mantenimiento. • Requiere de una fuente de corriente continua. • Posibilidad de condiciones de sobreprotección con daños a recubrimientos y problemas de fragilización por la acción del hidrogeno. • Conexiones y cables sujetos a roturas. • Tiene un costo elevado
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA VI. CUESTIONARIO c) Menciones otros métodos que pueden ser usados para proteger al acero de la corrosión bajo suelo Existen, además de la protección catódica, tres métodos comúnmente utilizados para controlar la corrosión en tuberías: Recubrimientos y revestimientos: estas son las principales herramientas contra la corrosión, a menudo son aplicados en conjunción con sistemas de protección catódica para optimar el costo de la protección de tuberías.
Selección de Materiales: se refiere a la selección y empleo de materiales resistentes a la corrosión, tales como: acero inoxidable, plásticos y aleaciones especiales que alarguen la de vida útil de una estructura, por ejemplo de la tubería. Sin embargo, en la selección de materiales resistentes a la corrosión el criterio fundamental no es, en esencia, la protección de una estructura, sino la protección o conservación del medio donde esta existe.
Inhibidores de Corrosión: son substancias que aplicadas a un medio particular, reducen el ataque del ambiente sobre el material. bien sea metal o acero de refuerzo en concreto. Los inhibidores de corrosión extienden la vida de las tuberías, previniendo fallas y evitando escapes involuntarios Evaluar el ambiente en el cual está la tubería o en el sitio donde se ha de colocar, es muy importante para el control de la corrosión. Modificar el ambiente en las inmediaciones de la tubería, como reducir la humedad o mejorar el drenaje, puede ser una manera simple y efectiva de reducir la potencialidad de la corrosión.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA VI. CUESTIONARIO d) En este circuito, como puede medir la corrosión del ánodo de sacrificio? El potencial del ánodo usado en el suelo tipo A y B se calcularía con la siguiente formula: Ecelda = Ecatodo - Eanodo Ecelda = voltaje de la pila Ecatodo= al potencial medido en el voltimetro para el caso de suelo tipo A:
Ecelda=1.5V (vs ESH).....Ecelda=1.184V (vs ECSCS) Ecatodo=-0.99V (vs ECSCS)....medido por el voltimetro
Eanodo=-2.174V (vs ECSCS).....Rpta
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA VI. CUESTIONARIO e) Observe cuidadosamente sus resultados. Como cambia el voltaje al mover el electrodo de referencia a lo largo de la barra de acero? Que podría usted decir acerca de la efectividad del ánodo de acero y batería en la protección de una estructura larga de acero, sobre su protección total? 0
0 0
5
10
15
20
25
-100
Potencial (mV)
Potencial (mV)
-200 -400 -600 -800 -1000 -1200
0
5
10
15
20
25
-200
-300 -400 -500
-600 -700
Distancia de la placa en cm
SUELO A
Distncia de la placa en cm
SUELO B
1. Los potenciales medidos (sin protección por corriente) no varían drásticamente, este potencial es semejante a lo largo de la placa (el material se corroe con el mismo potencial en cualquier punto de la placa). 2. Una vez protegido el cátodo, el potencial que se mide va disminuyendo conforme el electrodo de referencia se acerca al punto de contacto, debido a que hay mayor flujo de electrones; es decir hay mayor eficiencia de protección.
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA VI. CUESTIONARIO f) Imagine una larga tubería enterrada. Como podría usted asegurarse que que la protección catódica es efectiva para la longitud total de la tuberia? La condición fundamental para que la protección catódica sea efectiva a través de una superficie metálica se dará sólo si un flujo de corriente eléctrica catódica cruza la interfase metal/electrolito, favoreciendo de esta forma la reacción catódica sobre la anódica en la tubería y por ende se produce la polarización.
Se puede asegurar midiendo el potencial a diferentes distancias a lo largo de la superficie metálica, tomando en cuenta el criterio de que el voltaje se encuentre por encima de -850 mV y de esta forma pueda protegerse catódicamente.
