criterios de diseÑo protecciÓn catÓdica

MANUAL DE INGENIERIA DE DISEO Sistemas de Proteccin Catdica

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REVISION FECHA 1 JUN.04 Pgina 1

NDICE1 2 3 4 5 OBJETIVO ALCANCE REFERENCIAS

DEFINICIONES PRINCIPIOS Y REQUERIMIENTOS DE PROTECCIN CATDICA 5.1 Proteccin Catdica 5.2 Requerimientos 5.3 Criterios de Proteccin Catdica 5.4 Revestimientos 6 BASES DE DISEO 6.1 Mediciones e Investigaciones Preliminares al Diseo 6.2 Efectos de Interferencia Elctrica 7 PROTECCIN CATDICA POR NODOS DE SACRIFICIO 7.1 General 7.2 Aplicaciones de los nodos de Sacrificio 7.3 Material de los nodos 8 PROTECCIN CATDICA POR CORRIENTE IMPRESA 8.1 General 8.2 Fuentes de Corriente 8.3 Material de los nodos 9 CLCULOS DE DISEO 9.1 nodos Galvnicos 9.2 Corriente Impresa 10 AISLAMIENTO ELCTRICO 10.1 Sistema de Proteccin de los Accesorios Aisladores 11 INTERFERENCIAS ELCTRICAS 12 UBICACIN DE LOS SISTEMAS DE MONITOREO DE SPC 13 PROTECCIN DE TUBERAS ENTERRADAS 14 PROTECCIN DE TUBERAS O ESTRUCTURAS SUMERGIDAS 15 PROTECCIN DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO 15.1 Proteccin Interna 15.2 Proteccin Externa 16 PROTECCIN DE MUELLES Y PILOTES 17 PROTECCIN DE EMBARCACIONES 18 PROTECCIN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR 18.1 Cajas Enfriadoras (Box Coolers)


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19 20

21 22

18.2 Intercambiadores de Calor de Carcasa y Tubo PROTECCIN DE CASING DE POZOS SEGURIDAD 20.1 Seguridad Industrial 20.2 Proteccin de Activos CONSIDERACIONES ECONMICAS REGISTROS

23 BIBLIOGRAFA 24 ANEXOS


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1 OBJETIVOEstablecer una gua para el diseo de un sistema de proteccin catdica y homologar los criterios y procedimientos mnimos para el diseo de los mismos a nivel corporativo.

2 ALCANCEEste documento establece los principios bsicos para el control de la corrosin de estructuras metlicas enterradas o sumergidas, mediante el uso de proteccin catdica, y a su vez describe los requerimientos y procedimientos mnimos necesarios para el diseo de los sistemas.

3 REFERENCIAS 4 DEFINICIONES4.1 Aislamiento ElctricoDescribe la condicin de estar elctricamente aislado de otra estructura metlica, mediante el uso de empacaduras, juntas aislantes y otros dispositivos.

4.2 nodoElectrodo de una celda electroltica en el que se produce la oxidacin o corrosin.

4.3 nodo Galvnico/nodo de SacrificioMetal que, debido a su ubicacin relativa en la serie electromotriz, suministra corriente directa de proteccin a metales que son ms nobles en dicha serie, cuando ambos estn acoplados en el electrolito y elctricamente. Estos nodos constituyen la fuente de corriente en la proteccin catdica por nodos galvnicos.

4.4 Bacterias SulfatoreductorasGrupo de bacterias presentes en suelos y aguas naturales, pero activas solamente en condiciones anaerbicas y de pH cerca del neutro. Estas bacterias aumentan el requerimiento de potencial de proteccin debido a la despolarizacin resultante de la produccin de sulfuros.

4.5 Juntas AislantesAccesorio constituido de un material aislante que se intercala entre estructuras metlicas para separarlas elctricamente. Estas incluyen bridas aislantes y juntas monolticas.


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4.6 Cada IRVoltaje a travs de una resistencia de acuerdo con la Ley de Ohm.

4.7 CtodoElectrodo de una celda electroltica en el que se produce la reaccin de reduccin y prcticamente no sufre corrosin.


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4.8 Corriente ImpresaCorriente directa suministrada por una fuente de poder externa al componente andico. Entre las fuentes de poder tpicas, tenemos: rectificadores, mdulos solares, generadores de motores elctricos, bateras y molinos de viento (energa elica).

4.9 CorrosinDeterioro de un metal, o de sus propiedades, debido a su reaccin electroqumica con el medio ambiente.

4.10

Densidad de CorrienteCorriente directa que circula hacia o desde la superficie de un electrodo por unidad de rea, generalmente expresada como A/m2 o mA/m2, mA/ft2. La densidad de corriente ptima para obtener proteccin catdica vara dependiendo del ambiente y de la estructura a ser protegida.

4.11

Electrodo de Cobre/Sulfato de CobreElectrodo de referencia muy estable, utilizado para medir niveles de proteccin catdica de un metal. Est formado por una barra de cobre de alta pureza, en contacto elctrico con una solucin saturada de sulfato de cobre.

Conexin para Instrumento de Medicin

Metal

Solucin

Tapn de Material Poroso

Figura 1. Celda de Referencia


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4.12

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

4.13

ElectrolitoMedio en el cual se encuentran el nodo y el ctodo. Sustancia qumica o mezcla, usualmente lquida o slida, que contiene iones que migran en un campo elctrico. Para efectos de este manual, el trmino electrolito se refiere al suelo o lquido adyacente y en contacto con la estructura metlica enterrada o sumergida, incluyendo humedad, sales y otros qumicos contenidos en l.

4.14

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

4.15

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

4.16

InterferenciaEfecto adverso causado sobre estructuras no conectadas a los sistemas de proteccin catdica por corriente impresa, generando corrosin acelerada de las mismas.

4.17

Lecho de nodos ProfundosGrupo de nodos instalados en un hoyo vertical, cuya profundidad es mayor a 20 m. Los objetivos que se persiguen con este tipo de lecho son obtener baja resistencia en el sistema, distribuir uniformemente la corriente y minimizar la interferencia elctrica andica.

4.18

Lecho de nodos SuperficialGrupo de nodos instalados en un hoyo horizontal, vertical o direccional, cuya profundidad es menor a 20 m.

4.19

Potencial Natural


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Potencial espontneo (sin impresin de corriente elctrica directa) que adquiere una estructura metlica al estar en contacto con un electrolito, tambin denominado potencial de corrosin.

4.20

Potencial OFF (Potencial polarizado)Suma del potencial de corrosin y la polarizacin catdica medido inmediatamente despus de haber interrumpido el flujo de corriente (descartando la cada IR).

4.21

Potencial ONPotencial medido con la corriente de proteccin aplicada. Representa la suma de todas las cadas de potencial del circuito de medicin.

4.22

Potencial de ProteccinPotencial mnimo catdicamente. requerido para que una estructura metlica est protegida

4.23

Proteccin CatdicaTcnica mediante la cual se controla la corrosin de superficies metlicas inmersas en un medio conductivo o electroltico, alterando el potencial natural del metal hacia valores catdicos por medio de la aplicacin de corrientes impresas o galvnicas.

4.24

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

4.25

Revestimiento + Proteccin CatdicaCombinacin ideal (costo/calidad) para controlar la corrosin en estructuras metlicas enterradas o sumergidas.

4.26

Relleno o BackfillMaterial absorbedor de humedad, de baja resistencia elctrica, que rodea al nodo enterrado, utilizado con el propsito de incrementar el rea efectiva de contacto con el suelo, y por lo tanto, reducir la resistencia de contacto con el mismo.

4.27

SobreproteccinTrmino utilizado cuando el potencial de proteccin causa prdidas de energa, desgaste prematuro de los nodos, desprendimiento del revestimiento y en algunos casos la fragilidad de la estructura por penetracin de hidrgeno.


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5 PRINCIPIOS CATDICA

Y

REQUERIMIENTOS

DE

PROTECCIN

5.1 Proteccin CatdicaTodas las estructuras metlicas enterradas o sumergidas estn sujetas a corrosin, por lo cual deben adoptarse procedimientos adecuados para el control de la misma y asegurar la integridad mecnica para una operacin segura y econmica. La proteccin catdica, es una tcnica de control de corrosin, la cual tiene como fundamento la polarizacin, a potenciales ms negativos, de cualquier superficie metlica hasta alcanzar un grado de polarizacin, en el cual se acepta que dicha superficie metlica es inmune a la corrosin. Esta polarizacin se alcanza mediante el empleo de una fuente externa. Existen dos mtodos diferentes para lograr la proteccin catdica; el primero, conectando la superficie metlica que se trata de proteger a un metal menos noble que sta, es decir, ms negativo en la serie electroqumica, este procedimiento es conocido como sistema de proteccin catdica por nodos galvnicos, ya que se forma una pila galvnica. El segundo, es denominado, sistema de proteccin catdica por corriente impresa, el cual consiste en conectar un conjunto de nodos a la superficie metlica por medio de una fuente de energa externa, obligando a drenar corriente entre la superficie a proteger y el conjunto de nodos alcanzando los potenciales de proteccin.


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5.2 Requerimientos5.2.1 Los controles de corrosin externa deben ser considerados durante el diseo del sistema (estructura) y de las primeras defensas contra la corrosin externa deben ser los revestimientos y la seleccin de materiales. Los revestimientos perfectos no son posibles por lo cual la proteccin catdica debe combinarse con stos. Se instalar un sistema de proteccin catdica para toda estructura enterrada o sumergida a fin de contrarrestar la corrosin que podra ocasionar fallas estructurales. As mismo, se desarrollarn los procedimientos de monitoreo para determinar si se ha obtenido una proteccin catdica adecuada. Todas las estructuras de acero, enterradas o sumergidas, deben contar con un sistema de proteccin catdica permanente en un plazo no mayor a un ao posterior a la finalizacin de su construccin. En el caso que ya exista el sistema de proteccin catdica, la nueva estructura se conectar al mismo, si ste tuviese la capacidad adecuada o se puede adecuar amplindolo. Los planos de ingeniera debern definir claramente la ubicacin del equipo de proteccin catdica incorporado en la tubera, as como la ubicacin de otras instalaciones o estructuras, bien sean a la vista o enterradas, que pudiesen afectar o ser afectadas por el sistema de proteccin catdica. El diseo del sistema se har para el tiempo de vida til de la instalacin. El sistema de proteccin catdica seleccionado deber ser diseado de forma tal que se evite cualquier efecto corrosivo adverso en estructuras cercanas (equipos, tuberas, cables, etc.) Los materiales y equipos cumplirn con las normas citadas o sern aprobados por el ingeniero del proyecto para los requerimientos especiales. Cuando se requiera, se suministrar al ingeniero del proyecto un grupo de materiales de muestra para ensayos destructivos, para la inspeccin de control de calidad y su respectiva aprobacin antes de que se enven los materiales. Se incluir una copia de los resultados del ensayo, junto con la muestra. Cualquier otro equipo estar sujeto a una inspeccin de aceptacin por parte del ingeniero del proyecto. La aplicacin de esta norma debe estar bajo la direccin de especialistas designados por PDVSA, quienes por conocimiento de los principios fsicos, matemticos y de ingeniera, adquiridos por educacin y experiencia prctica relacionada, estn capacitados para dedicarse a la prctica de control de corrosin de estructuras metlicas enterradas o sumergidas.

5.2.2

5.2.3

5.2.4

5.2.5

5.2.6

5.2.7


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5.3 Criterios de Proteccin CatdicaDebido a que, a diversos niveles de polarizacin catdica se puede controlar la corrosin externa en estructuras de acero enterradas o sumergidas en un medio elctricamente conductor, se recomienda tomar en cuenta los siguientes criterios de proteccin: 5.3.1 Criterio del Potencial Mnimo: El valor mnimo de polarizacin catdica para controlar la corrosin es de 850 mV. Este valor es medido respecto al electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre (Cu/CuSO4) en contacto con el electrolito, con la proteccin catdica aplicada (Potencial ON). Para medios anaerbicos o condiciones especiales, puede requerirse un valor ms negativo. Tal es el caso de medios con bacterias sulfatoreductoras, en los que se requiere un potencial mnimo de 950 mV con respecto al electrodo de Cu/CuSO4. Criterio del Cambio de Potencial: La diferencia de los potenciales de referencia medidos en OFF y Natural de la estructura debe ser como mnimo de -100 mV. Criterio 850 mV Polarizado (Potencial OFF): cuando existe un potencial polarizado negativo de al menos 850 mV con respecto al electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre en contacto con el electrolito.

5.3.2

5.3.3

5.5.4

5.4 RevestimientosLa corrosin pudiera prevenirse cubriendo la totalidad de la estructura enterrada o sumergida con un recubrimiento impermeable no conductivo, lo cual sera ideal, pero casi imposible de llevar a cabo a un costo razonable. En general los recubrimientos sufren daos en el transporte al sitio de instalacin. En suelos corrosivos, la ms pequea discontinuidad del revestimiento protector puede redundar en corrosin local severa. Prcticamente, todo tipo de revestimiento desarrolla imperfecciones, y se produce corrosin en las pequeas reas de metal expuesto donde se rompe la barrera de aislamiento. El revestimiento es una herramienta muy efectiva en el control de la corrosin, y cuando se utiliza junto con la proteccin catdica, se puede obtener un control completo con un mnimo de corriente aplicada. Los revestimientos casi nunca son afectados por la aplicacin correcta de la proteccin catdica; sin embargo, potenciales muy negativos, con referencia al electrodo de Cu/CuSO4 pueden daar el revestimiento causando evolucin de hidrgeno en la superficie del metal. La Tabla 1 muestra los lmites de potencial ON recomendados, en el punto de inyeccin (PD), para estructuras enterradas/sumergidas, para evitar el desprendimiento del revestimiento por exceso de corriente de proteccin catdica.


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Tabla 1 - Lmites de potencial ON recomendados, en el punto de inyeccin, para estructuras enterradas/sumergidas (referidos al electrodo de cobre/sulfato de cobre)

Tipo de revestimiento Resina epxica en polvo, aplicada por fusin electrosttica Esmalte asfltico Alquitrn de hulla Polietileno Cinta adhesiva

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

FUENTE:

6 BASES DE DISEOEl diseo de un sistema de proteccin catdica deber basarse en informacin obtenida de la inspeccin de instalaciones similares, en ambientes similares y/o de un estudio detallado de las condiciones en sitio. Las condiciones a determinar en sitio son: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l) Resistividad, pH y composicin qumica del medio Continuidad elctrica de la estructura Proximidad de otras estructuras Potenciales de Referencia de estructuras adyacentes Disponibilidad de energa elctrica Condicin y tipo de revestimiento Facilidad de acceso para construccin y mantenimiento Clasificacin de reas Seguridad en sitio de los equipos en cuanto a hurto Planos y especificaciones de construccin Tiempo de vida til de la estructura (activa) Histrico de inspecciones de tuberas o estructuras adyacentes

El diseo de un sistema de proteccin catdica debe considerar los aspectos antes mencionados u otros que no permitan interferencia a las estructuras adyacentes. El diseo de un sistema de proteccin catdica no deber contemplar la instalacin en reas peligrosas de equipos de suministro de energa elctrica, cajas de conexiones, etc., cuando sea posible. Cuando la instalacin deba realizarse en este tipo de reas clasificadas, se debern utilizar los materiales correspondientes especificados para tal fin (ver Tabla 2). Tabla 2 Manuales de Especificaciones Tcnicas de Materiales - PDVSA


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

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


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TEMPERATURAS EM-01-02/01 EM-01-02/02 EM-01-02/03 EM-02-11/01 EM-04-02/01 EM-04-05/01 EM-04-05/02 EM-04-10/01 EM-04-11/01 BREA EPOXICA (COALTAR EPOXY) CURADA CON POLIAMIDA PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA BREA EPOXICA (COAL TAR EPOXY) CURADA CON AMINA PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA BREA EPOXICA (COAL TAR EPOXY) CURADA CON ADUCTOAMINA PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA ACEITES MINERALES AISLANTES CON INHIBIDOR DE OXIDACION PARA USO EN TRANSFORMADORES E INTERRUPTORES MORTERO DE CEMENTO PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD EXTRUIDO PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA POLIPROPILENO EXTRUIDO PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA CINTAS DE POLIETILENO APLICADAS EN FRIO Y/O EN CALIENTE PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA MANGAS TERMOCONTRACTILES PARA PROTECCION DE JUNTAS Y/O REPARACIONES DE REVESTIMIENTOS DE TUBERIA METALICA MANGAS TERMOCONTRACTILES PARA PROTECCION DE JUNTAS Y/O REPARACIONES DE REVESTIMIENTOS DE TUBERIA METALICA A ALTAS TEMPERATURAS CAUCHO POLICLOROPRENO (NEOPRENO) PARA EL REVESTIMIENTO DE TUBERIA METALICA

EM-04-11/02

EM-04-13/01

FUENTE: Manuales de Especificaciones Tcnicas de Materiales www.intevep.pdv.com/santp Todas las estructuras enterradas o sumergidas en un corredor debern tener un sistema de proteccin catdica integrado, cualquiera sea el tipo de revestimiento de las estructuras existentes. Se podr utilizar la capacidad disponible de los sistemas de proteccin catdica existentes, siempre y cuando su desempeo no sea afectado en forma adversa. Se requieren consideraciones especiales de diseo para tuberas enterradas dentro del rea de plantas, refineras, etc. Lechos de nodos galvnicos o inertes, distribuidos, debern instalarse en estas reas para complementar la proteccin. Se debern instalar puntos de prueba adicionales para monitorear los niveles de proteccin de estas secciones de tubera.


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6.1

Mediciones e Investigaciones Preliminares al DiseoLa adecuada recopilacin de datos en campo es obligatoria. Adems de la medicin elctrica, la informacin incluir fechas, estado del tiempo, descripcin y condicin del terreno, vas de acceso, fuentes potenciales de energa elctrica, ubicacin adecuada para lechos de nodos o nodos de sacrificio, seguridad, as como cualquier otra informacin pertinente. Los datos obtenidos en las mediciones indicarn tambin la ubicacin de todas las estructuras enterradas o sumergidas adyacentes a la obra, la condicin de las superficies metlicas expuestas y la calidad del aislamiento del revestimiento en dichas estructuras. Los sitios posibles de ubicacin detallada de los sistemas de proteccin catdica, sern localizados con mediciones detalladas tomando como referencia puntos fijos establecidos usando el mtodo de triangulacin. El especialista preparar un diseo detallado del sistema de proteccin propuesto, el cual tomar en consideracin las siguientes proposiciones: a) Estar basado en una continua operacin del sistema para la vida til especificada en el diseo de la estructura o equipo a ser protegido. b) Considerar los requerimientos para la instalacin de cualquier interconexin necesaria entre estructuras que puedan estar sujetas a interferencia catdica. c) Incluir detalles para la puesta en marcha del sistema, el diseo y la ubicacin de bridas con aislamiento y puntos de medicin.

6.1.1

Caracterizacin del Medio Para el diseo de sistemas de proteccin catdica de estructuras enterradas o sumergidas es importante la realizacin de mediciones de campo que permitan la caracterizacin del medio, para as evaluar la factibilidad de instalar un sistema de proteccin catdica. La resistividad del electrolito representa la investigacin preliminar ms importante al momento de disear un sistema de proteccin catdica. En suelos la resistividad puede variar con el contenido de agua y sales disueltos en estos y por lo tanto, se ve influenciada por las lluvias. An cuando la resistividad sola no indica la corrosividad de un medio, existe cierta relacin entre las dos propiedades, como se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3 - Clasificacin del medio electrolito de acuerdo con su resistividadResistividad del medio (ohm-cm) Corrosividad


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Menos de 500 Entre 500 y 1.000 Entre 1.000 y 2.000 Entre 2.000 y 10.000 Mayores a 10.000

Muy corrosivo Corrosivo Moderadamente Corrosivo Ligeramente Corrosivo Progresivamente menos corrosivo

FUENTE: API RP 651

La medicin de la resistividad del suelo se realizar utilizando el mtodo de los cuatro electrodos (mtodo de Wenner), segn procedimiento especificado en la norma ASTM G 57. Donde se requieran mediciones de la resistividad a lo largo de la tubera, stas se harn a intervalos mximos de 1 Km (o menos cuando las condiciones del suelo cambien), utilizando una separacin entre electrodos equivalente a la profundidad de la estructura o a la profundidad requerida. Se tomarn lecturas de resistividad en las ubicaciones propuestas para los lechos de nodos a fin de elaborar mapas de contornos para cada una de ellas. Las lecturas de resistividad sern corregidas para considerar condiciones ms crticas, es decir, en poca de verano. Cuando se presenten factores que puedan alterar las caractersticas del medio, se tomarn muestras del suelo para determinar caractersticas adicionales del mismo, tales como sales solubles, contenido de humedad, pH, etc. Se determinar el contenido de sulfatos a fin de detectar la presencia de bacterias Sulfatoreductoras.

6.1.2

Pruebas de Drenaje de Corriente Se obtendrn parmetros de diseo completos al instalar un sistema de proteccin temporal, el cual permitir medir la cantidad de corriente requerida para proteger adecuadamente una estructura enterrada o sumergida. El sistema de proteccin catdica temporal estar conformado por:

a)

Un lecho de nodos temporal, el cual estar ubicado en el lugar

seleccionado para la instalacin permanente propuesta. Este lecho temporal estar constituido por tubera de desecho, estructuras metlicas enterradas o sumergidas


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

b)

Una fuente de energa temporal, la cual consistir de generadores

impulsados por motores, acumuladores estacionarios, unidades de proteccin catdica existentes, rectificadores porttiles combinados con energa comercial disponible, etc. Este equipo suministrar una corriente directa constante, bien regulada, de una tensin e intensidad en las magnitudes requeridas durante el ensayo. Una vez que el sistema se ha estabilizado en los niveles de proteccin requeridos, se harn mediciones del drenaje de corriente del sistema temporal y se considerar la resistencia total del circuito de inyeccin de 1000 mV con respecto a Cu/CuSO4, esto para clculo de diseo. La Tabla 4 indica un estimado de las densidades de corriente mnimas requeridas para la proteccin catdica de acero desnudo en diferentes medios, a temperatura ambiente de 15 a 25 C.


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Tabla 4 - Densidades de corriente requeridas para proteccin catdica de acero desnudo en diversos medios (@ Tambiente= 15 a 25 C)Densidad de Corriente Medio (mA/m2) Suelos * Suelos neutro o estril ** Suelo aereado y seco ** Suelo hmedo Suelo muy cido Suelo con bateras Agua Dulce y Zonas Fangosas *** Agua Dulce estancada ** Agua Dulce en movimiento ** Agua Dulce, turbulenta ** Agua Salada * Agua Salada en movimiento * Lago de Maracaibo * Plataforma Continental Venezolana (agua) * Plataforma Continental Venezolana (barro) * 10 a 30 (1) 5 a 17 5 a 17 28 a 66 56 a 170 450 11 a 32 56 56 a 66 56 a 170 50 a 80 100 a 150 50 a 100 80

30

* ** ***

FUENTE: Manual de Proteccin Catdica: Diseo y Aplicaciones. Jorge Goldin. www.biblioteca.redescolar.ilce.edu.mx. Ciencias qumica. Ms all de la herrumbre II". Cathodic Protection Manual. Royal Dutch / Shell Group: (1) En suelos anaerbicos, transcurren algunos meses antes de que se verifique la polarizacin completa. (2) Los valores dependen de la velocidad del agua. Las densidades de corriente mnimas para la proteccin catdica de estructuras metlicas revestidas se especifican en la Tabla 5.


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Tabla 5 - Densidades de corriente requeridas para proteccin catdica de estructuras metlicas revestidasDensidad de Corriente Tipo de Revestimiento (mA/m2) Cinta Resina Epxica en polvo Polietileno Extruido Brea Epoxy (Coal Tar) 1.25 0.10 0.10 0.75

FUENTE: Manual de Ingeniera de Diseo de Sistemas de Proteccin Catdica de estructuras enterradas/sumergidas, PDVSA Occidente, 1998 (RP-PC-001-98) Cuando no pueda ser determinada a travs de una prueba de drenaje de corriente, la seleccin final de los requerimientos de corriente ser una combinacin de los factores indicados anteriormente. Para estructuras revestidas, es necesario estimar la superficie total sobre la cual el revestimiento no es efectivo (% de rea desnuda) y en base a sta, determinar los requerimientos de corriente. La Tabla 6 muestra valores de eficiencia del revestimiento, que deben ser considerados para determinar la superficie total a proteger.

Tabla 6 - Eficiencia del RevestimientoAos de servicio de la instalacin 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Deterioro del revestimiento (%) 1.01 1.16 1.32 1.51 1.73 1.98 2.27 2.60 2.97 3.40


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10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

3.89 4.45 5.09 5.82 6.66 7.63 8.73 9.99 11.43 13.07 14.96

FUENTE: Manual de Ingeniera de Diseo de Sistemas de Proteccin Catdica de estructuras enterradas/sumergidas, PDVSA Occidente, 1998 (RP-PC-001-98)

6.1.3

Medicin de Potenciales

La medicin de potencial entre la estructura y el medio electrolito se obtendr en todos los terminales de medicin, a ambos lados de las bridas o uniones con aislamiento, en los cruces con otras estructuras metlicas enterradas o sumergidas o cualquier estructura similar prxima a la estructura que est siendo protegida; asimismo, en cualquier otro punto donde se considere necesario determinar la efectividad del sistema de proteccin catdica propuesto, y evitar la corrosin por corrientes de fuga a estructuras que no estn incluidas dentro del sistema de proteccin.

Todas las lecturas de potencial sern registradas con precisin de milivoltios (mV), utilizando instrumentos adecuados y electrodos de referencia de cobre/sulfato de cobre (Cu/CuSO 4) o plata/cloruro de plata (Ag/AgCl). Las lecturas de potencial sern tomadas a intervalos suficientes para prevenir la omisin de alguna zona no protegida, o en proceso de corrosin de la estructura a ser protegida. Las lecturas tambin se obtendrn para asegurar que el sistema de proteccin catdica que se est diseando no ocasionar problemas de interferencia no controlables en otras estructuras. En reas clasificadas peligrosas, tales como estaciones y patios de tanques, se tomarn


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lecturas adicionales necesarias que permitan detectar cualquier situacin de peligro que pueda originarse de la instalacin de la proteccin catdica. Para el diseo del sistema de proteccin catdica se realizarn las siguientes mediciones de potencial: a) Potencial Natural: se tomar el potencial de la estructura sin aplicacin de corriente. Para ello se deben desconectar todos los sistemas de proteccin catdica que puedan estar ocasionado alguna influencia sobre la estructura bajo estudio y esperar un tiempo prudencial para que se produzca la despolarizacin de la estructura. b) Nivel Mnimo de Proteccin: utilizando el sistema de proteccin catdica temporal, se drenar suficiente corriente a fin de lograr la proteccin de toda la estructura, alcanzando los niveles mnimos aceptables aplicables para los criterios que sean utilizados. c) Nivel Mximo de Proteccin: una vez que se hayan determinado los niveles mnimos de corriente de proteccin, la salida de corriente del sistema de proteccin catdica temporal se incrementar hasta que se alcancen los niveles mximos de proteccin aceptables. En esta condicin se medir la atenuacin de la proteccin a travs de toda la estructura.

6.2

Efectos de Interferencia ElctricaLas corrientes de interferencias (corrientes parsitas) asociadas con los problemas de corrosin son, como su nombre lo indica, corrientes directas que fluyen en la tierra desde una fuente asociada con la lnea afectada. Para causar corrosin en la tubera, la corriente directa debe fluir desde una fuente externa hacia un rea de la tubera, viajar a travs de sta hacia otra rea y salir de la tubera para volver a entrar al medio (resultando en corrosin), completando el circuito al regresar a la fuente de poder original. Las corrientes de interferencia pueden ser estticas o dinmicas. Las fuentes tpicas de corrientes parsitas son: a) b) c) d) Sistemas de proteccin catdica por corriente impresa Sistemas de transporte masivo operados por electricidad (trenes) Torres de alta tensin Corrientes telricas

En ocasiones, las corrientes AC fluyen a la tierra de sistemas de distribucin elctrica, pudiendo convertirse en pequeos problemas de interferencia de menor grado. Los sistemas de proteccin catdica por corriente impresa pueden causar corrientes de interferencia en tuberas adyacentes dependiendo de la ubicacin del lecho de nodos, localizacin exacta de la tubera y las caractersticas operacionales del sistema.


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Cualquier accin que se tome para prevenir la entrada de corriente al electrolito disminuir la posibilidad de que las corrientes parsitas afecten una estructura enterrada o sumergida, razn por la cual, la presencia de corrientes parsitas debe ser tomada en cuenta durante el diseo de los sistemas de proteccin catdica, as mismo, el diseo de instalaciones para proteccin catdica debe minimizar la interferencia con otras estructuras. En los puntos donde se presume puedan existir problemas de interferencia se dar revestimiento adecuado y/o aislamiento a fin de minimizar el flujo de estas corrientes. El diseo tambin debe considerar, cuando sea necesario, la instalacin de puentes adecuados, entre las estructuras enterradas y/o sumergidas, a fin de prevenir el efecto corrosivo de las corrientes parsitas. Se debern mantener registros o mapas actualizados para mostrar la localizacin de los sistemas de proteccin catdica propios y forneos, las tuberas protegidas, las tuberas interconectadas, etc.; a fin de mantener un estricto control sobre la proteccin catdica de las estructuras correspondientes. Se debern realizar pruebas y mediciones de potenciales en reas donde se piense disear un sistema de proteccin catdica para verificar la posible presencia de corrientes de interferencia, para lo cual se podr usar cualquiera o una combinacin de los mtodos de ensayo descritos en los puntos 6.2.1 al 6.2.4 de la presente norma. Algunos de los mtodos utilizados para reducir o eliminar las interferencias por corrientes parsitas desde instalaciones de proteccin catdica, incluyen:


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6.2.1

Interconexiones Cuando se tiene que una tubera est siendo afectada por otra que tiene proteccin catdica, el mtodo comnmente usado para corregir esta situacin consiste en conectar una resistencia entre las dos tuberas. Esta resistencia en la interconexin debe estar ajustada para que drene slo la corriente suficiente desde la lnea afectada para eliminar la condicin de dao. Normalmente, esta operacin es realizada en conjunto con el representante de la lnea afectada o bajo su consentimiento, preferiblemente por escrito. El establecimiento exacto de cuando ha sido eliminado el efecto de las corrientes de interferencia es crtico. Para determinarlo, la conexin se ajusta con el interruptor de corriente en el rectificador de la lnea que causa la interferencia con un voltmetro preparado para medir el potencial de la lnea afectada con respecto al electrodo de cobresulfato de cobre en el punto de cruce o en el punto de mayor exposicin. La resistencia de la conexin se hace de manera que el potencial de la lnea afectada con el rectificador ON sea la misma que la observada antes de la instalacin de la conexin. El propsito principal de la interconexin es evitar la corriente de interferencia mediante el balance de los potenciales de referencia de las estructuras conectadas.

6.2.2

Revestimientos Algunas interferencias no pueden ser resueltas mediante la interconexin, tal es el caso de interferencia producto de cruces de tuberas poco revestidas o desnudas. Si se sabe relativamente la densidad de corriente que entra en la tubera desnuda a travs del suelo, se localizar la zona en la cual se reduce el potencial de la tubera que se quiere proteger, una solucin sera disminuir el flujo de la densidad de corriente a la tubera desnuda en el rea de cruce. Esto puede ser logrado a travs de la aplicacin de revestimientos de calidad en el rea de cruce en la tubera que causa la interferencia; obtenindose como resultado una reduccin del flujo de corriente desde el suelo hacia la lnea que produce la interferencia.

6.2.3

Uso de nodos Galvnicos Otra medida para corregir las interferencias implica el uso de nodos galvnicos conectados a la lnea afectada en el rea de interferencia producto de la lnea fornea protegida catdicamente. Para muchas aplicaciones de este tipo, una lnea simple de nodos entre la lnea afectada y la causante de la interferencia, ser suficiente para mitigar los efectos dainos. Los nodos ms fuertes sern usados en los puntos de mayor exposicin en los cruces de tuberas y los ms dbiles en cualquier otra zona. Los nodos de magnesio son usados


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exitosamente porque tienen un campo de gradiente de potencial andico mas alto que los de cinc. La longitud de la ristra de nodos depende de la longitud del rea de potencial cado en la lnea afectada. Se deber instalar un punto de prueba para monitorear peridicamente la salida del nodo y facilitar la medicin de potenciales.

6.2.4

Uso de Escudos Elctricos En lugares donde una lnea pasa cerca del rea de influencia de un lecho de nodos circundante, es posible reducir la cantidad de corriente de interferencia que la lnea recoge mediante el uso de escudos elctricos. Los escudos reducen la absorcin de corrientes de interferencia pero no las eliminan por completo. Se puede esperar que la corriente de interferencia an fluya desde el rea de absorcin hasta algn punto de descarga donde ocurrir la corrosin. Este flujo de corriente necesita ser revertido y se puede hacer a travs de nodos galvnicos o interconexiones, si el escudo ha reducido razonablemente la absorcin de corrientes de interferencia. Para los escudos se utiliza tubera desnuda, de dimetros pequeos (una tubera de pulgada podra ser satisfactorio en muchos casos), para mantener la demanda de corriente entre lo razonable. Previo a la instalacin de los escudos se debe realizar un estudio econmico, para determinar la factibilidad de su colocacin o de reubicar el lecho de nodos.

7 PROTECCIN CATDICA POR NODOS DE SACRIFICIO7.1 GeneralCon este mtodo, prevalece la accin galvnica para proveer corriente de proteccin. La superficie de la estructura se hace catdica conectndola a un metal menos noble (nodo) en un electrolito comn. Los elementos ms usados para este fin son el magnesio, el aluminio y el cinc. Estos nodos comnmente se conocen como nodos de sacrificio porque la proteccin de la estructura va acompaada del consumo simultneo de los nodos por corrosin electroqumica.

7.2

Aplicaciones de los nodos de SacrificioLos nodos de sacrificio se utilizan principalmente cuando se requieren corrientes relativamente pequeas en sitios con muy baja resistividad elctrica. Los sistemas de proteccin catdica por nodos de sacrificio son utilizados principalmente para:


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7.2.1

Proteger pequeas secciones de tubera con revestimiento en buenas condiciones o fondos de tanques, que requiera una cantidad moderada de corriente. Complementar localmente la falta de proteccin de una estructura ya protegida por un sistema de corriente impresa. Proteger temporalmente una estructura durante su construccin, hasta que sea instalado el sistema de proteccin catdica por corriente impresa. Corregir interferencias que puedan presentarse por corrientes parsitas de baja intensidad producidas por un sistema de proteccin catdica por corriente impresa u otra fuente de corriente continua (este tipo de situacin se produce generalmente en los cruces de tuberas). Controlar corrientes de interferencia en reas congestionadas y en reas urbanas. Proteger estructuras donde no se disponga de ninguna fuente de energa elctrica. Aunque no represente una aplicacin de proteccin catdica, los nodos de sacrificio pueden ser utilizados como tomas de tierra en estaciones para eliminar puntos de tensin AC sobre los equipos.

7.2.2

7.2.3

7.2.4

7.2.5 7.2.6 7.2.7

7.3

Material de los nodosLos nodos de sacrificio se fabrican principalmente de magnesio, aluminio y cinc. Las principales caractersticas de estos nodos se presentan en la Tabla 7. Tabla 7 - Caractersticas de los nodos de sacrificioConsumo (kg/A-ao) (1) Capacidad Terica (A-h/kg) (2) 2.200 Eficiencia (%) (3) Capacidad Prctica (A-h/kg) (4) 1.100

Aleacin

Medio

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

Suelo/Agua dulce Suelo/Agua dulce Agua de mar Agua de mar Fango de mar Fango de mar

3,98

50

10,69

820

90-95 (5)

740-780

2,94

2.980

85-95

2.540-2.830

El consumo fue calculado a partir de la siguiente expresin: W = M t I Consumo (kg/Aao) Peso atmico del material andico (gr) Tiempo (3.1536x107 s/ao)

n F 1000 , donde:


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REVISION FECHA 1 JUN.04 Pgina 26I n F (2) : : : Flujo de corriente promedio (A) en el tiempo t. Nmero de electrones transferidos por tomo de material andico (Estado de oxidacin o Valencia). Constante de Faraday (96490 coulombios/equiv.gr.material andico).

La capacidad terica fue calculada a partir de la siguiente expresin: Ct = 8760 W Ct : W : Capacidad Terica de drenaje de corriente del material andico (Ah/kg). Consumo (kg/Aao)

(

)

, donde:

(3)

WAGNER, John: Cathodic Protection Design I. NACE International. Abril, 1993. PEABODY, A.W. : Control of Pipeline Corrosion. NACE. Houston, 1967. La capacidad prctica fue calculada a partir de la siguiente expresin: Cp = Ct Eficiencia , donde: Cp : Ct : Capacidad Prctica (Ah/kg) Capacidad Terica (Ah/kg)

(4)

(5)

La eficiencia del cinc es razonablemente constante para salidas de corriente bajas a muy altas, en trminos de mA/pie 2 de superficie del nodo. Esto aplica cuando se emplean nodos de cinc de alto grado de pureza. Una eficiencia de 90% es conservadora. Debido a regulaciones ambientales, los nodos de aluminio no deben contener mercurio (Hg).

(6)

Los nodos de magnesio pueden utilizarse econmicamente en medios de ms alta resistividad (mayor de 3.000 ohm-cm), en comparacin con los nodos de cinc de aluminio. No deben utilizarse en aguas salobres a temperaturas mayores de 30C o en aguas frescas a temperaturas mayores de 45C, dado que la autocorrosin de los nodos se acenta a altas temperaturas, disminuyendo as su eficiencia. Para aplicar proteccin catdica con nodos de magnesio, stos deben tener una alta pureza. Los nodos de cinc no son una alternativa econmica en medios de resistividad mayor de 1.500 ohm-cm. Su principal uso se circunscribe al agua de mar, o cuando la corriente requerida es baja, pero constante y se desea un largo tiempo de servicio. El cinc puede utilizarse en aguas de altas temperaturas (30 60 C), en las cuales las aleaciones de magnesio se corroen rpidamente. Sin embargo, no deben emplearse nodos de cinc a temperaturas superiores a 60C, dado que en algunos tipos de aguas, a 70 C aproximadamente, su polaridad cambia de negativa a positiva con respecto al acero, promoviendo el ataque del mismo en lugar de protegerlo. Tampoco se recomienda en los ambientes donde hay presencia de carbonatos o bicarbonatos. Los nodos de aleacin de aluminio no se recomiendan para otro servicio que no sea agua de mar o aguas salobres, preferiblemente si la aleacin est activada con indio. Las aleaciones de aluminio no se emplean en suelos por cuanto se recubren de una capa de xido de aluminio que las inactiva, es decir, las pasiva; por el contrario, al ser sometidas a la accin de agua de mar, o de aguas con suficiente contenido de cloruros (mayor de 3.000 ppm), stos rompen la capa pasiva activando nuevamente la aleacin. Es por ello que el aluminio slo puede ser empleado cuando el contenido de cloruros es suficientemente alto como para despasivar la superficie del nodo y permitir el drenaje de corriente.


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En instalaciones subterrneas, para asegurar su buen funcionamiento, los nodos de magnesio y cinc se emplean con una mezcla de relleno preparado que los cubre completamente. Este relleno, por su baja resistividad (50 ohm-cm) y por la solubilidad de sus componentes, tiene un efecto de acondicionamiento sobre la resistividad del suelo adyacente, y como resultado se obtiene una resistividad ms baja sobre varios metros alrededor del nodo. As mismo, el relleno aumenta la superficie efectiva del nodo, reduciendo la resistencia entre el nodo y el suelo. La mezcla comnmente utilizada como relleno para los nodos de magnesio y cinc es la siguiente: 75% yeso hidratado (CaSO4.2H2O) 20% arcilla de bentonita 5% sulfato de sodio (Na2SO4) Los nodos galvnicos sern instalados en grupos en puntos distribuidos a lo largo de la tubera a fin de suministrar una proteccin total y para facilitar la inspeccin y el mantenimiento. Los suelos con la mejor combinacin de baja resistividad elctrica, alta concentracin qumica y mximo contenido de humedad, sern seleccionados para la ubicacin del nodo galvnico. La distancia hasta la estructura enterrada deber estar entre 1,0 m y 6,0 m, dependiendo de la resistividad del medio. En sistemas mixtos (nodos galvnicos/corriente impresa), la ubicacin de los nodos depender del perfil de potenciales de la estructura. La seleccin de los nodos galvnicos estar restringida a los de magnesio o de cinc de alta pureza que se consigan en el mercado. Los nodos de cinc se utilizarn solo en medios electrolitos de baja resistencia y donde las bajas salidas de corriente y los bajos potenciales de solucin resultantes sean tolerables. El tamao del nodo, forma, peso, pureza y relleno depender de los requerimientos para cada instalacin en particular, de acuerdo a los materiales especificados en esta norma.

8 PROTECCIN CATDICA POR CORRIENTE IMPRESA8.1 GeneralCon este mtodo, la estructura a proteger forma parte de un circuito elctrico, con una fuente de corriente directa y un lecho de nodos. El lecho de nodos puede estar formado por grafito, hierro/silicio/cromo, chatarra, titanio platinizado, magnetita, MMO (Oxidos de Metal Mezclado), etc., cuyo costo depender de la rata de consumo en el tiempo, factor determinante en el costo del proyecto.


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

8.2

Fuentes de CorrienteLas fuentes de corriente externa utilizadas en los sistemas de proteccin catdica incluyen: rectificadores/transformadores AC/DC, motores generadores, generadores termoelctricos, generadores de viento y generadores solares, de los cuales, los rectificadores/transformadores son los utilizados con mayor frecuencia. En cuanto a los rectificadores se prefieren aquellas unidades estandarizadas que cumplan con las regulaciones elctricas aplicables al rea donde sean instalados. La seleccin del tipo se har de acuerdo a lo siguiente: a) Para requerimientos normales se usarn unidades monofsicas enfriadas con aire. b) Las unidades sumergidas en aceite sern utilizadas en reas donde se presenten condiciones de alto grado de humedad, ambiente marino, alta temperatura ambiental, vapores corrosivos dainos, condiciones de polvo excesivo, vapores explosivos peligrosos o condiciones similares. c) Las unidades trifsicas sern usadas siempre que se disponga de suministro elctrico trifsico. d) Unidades montadas en bases sern utilizadas en aquellos casos en que la apariencia y/o el peso son los factores determinantes. Las fundaciones para estas unidades las disear la seccin de Ingeniera Civil. e) Se utilizarn rectificadores de silicio de onda completa, los cuales sern protegidos con limitadores de sobretensin (varactor) y pararrayos diseados especficamente para este uso. Los rectificadores y/o dems fuentes de poder debern instalarse en localizaciones accesibles, que faciliten su posterior mantenimiento. La ubicacin estar determinada por los siguientes factores: a) Cercana a una fuente de energa elctrica econmica b) Fuente de energa de corriente continua adyacente al lecho de nodos c) rea no clasificada d) Resguardo y ventilacin adecuada e) Vas de acceso cercanas f) Suelo de baja resistencia, bien humectado


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La capacidad mxima de salida de la fuente de poder deber ser 50% (tierra) y 20% (agua) mayor que la capacidad calculada en el diseo. Los rectificadores de proteccin catdica debern espaciarse a intervalos a lo largo de la tubera. La separacin estar determinada por los siguientes factores: a) Capacidad del rectificador y el lecho de nodos b) Efecto de corrientes de interferencia (parsitas) c) Potenciales permitidos en revestimientos (ver Tabla 1) d) Cualidades dielctricas y de aislamiento de los revestimientos de proteccin e) Costos f) Condiciones del electrolito

Los rectificadores para proteccin catdica debern cumplir con la especificacin Tcnica de Materiales PDVSA EM-28-07/05 Transformador/rectificador de Proteccin Catdica.

8.3

Material de los nodosPara los sistemas de proteccin catdica por corriente impresa se usarn nodos inertes (pasivos), tales como hierro-silicio-cromo, hierro fundido, grafito, titanio, MMO y otros metales recubiertos. Dichos nodos estarn rodeados de carbn suave compactado o coque desmenuzado, cuando sea posible, a fin de aumentar el tamao efectivo del nodo. En la Tabla 8 se muestran las principales propiedades de los nodos de corriente impresa. Tabla 8 - Propiedades de los nodos de corriente impresanodos de Corriente Impresa Propiedad Fe-Si-Cr Grafito Niobio platinizado Lida Chatarra de acero MMO

Consumo aproximado (kg/A.ao) Agua de mar Suelo Fondo del Lago Densidad de corriente Mxima recomenda (mA/cm2) Agua de mar Agua dulce Suelo 0.5 0.5 1.0 N N 0.15 40 40 0.15 60 11 10 L L 0.5 1.0 1.0 1.3 N 0.20 N 8.63x10-6 1x10-6 0.0005 0.0071 9.1 9.1 9.1 1x10-6


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Voltaje mximo permitido (voltios) Agua de mar Agua dulce Suelo Factor de utilizacin Recomendado (Futilizacin)N L N/L FUENTE : : : :

N/L N/L N/L

N N N/L

60 N/L N/L

N/L N/L N/L

L L L

0.85

0.85

0.90

0.90

0.75

No recomendado Si est colgado en agua, no hay lmite. Sin lmite. Manual de Ingeniera de Diseo de Sistemas de Proteccin Catdica. Lagoven. Marzo, 1997.

Los nodos de hierro-silicio-cromo son usados comnmente para lechos superficiales, sin embargo tambin pueden ser utilizados para lechos profundos. El relleno de coque utilizado para la construccin del lecho de nodos deber tener una resistividad no mayor de 25 ohm-cm a presin atmosfrica, as mismo, deber cumplir con la norma PDVSA EM-28/07/03 Coque Metalrgico para uso en Lechos de nodos para Sistemas de Proteccin Catdica por Corriente Impresa. Por otro lado, debe poseer una granulometra de 90% finos menor de 1 mm, bajo contenido de S < 2 ppm en peso, para Fe-Si-Cr. Para el MMO, el coque debe ser de muy baja resistividad elctica < 2 ohm-cm. La colocacin de los nodos en el lecho ser diseada de forma tal que permita una descarga uniforme de corriente. Los nodos en los lechos superficiales normalmente se colocarn en posicin vertical a menos que se presenten rocas o alguna otra obstruccin. En tal caso podrn ser instalados en posicin horizontal de manera de aprovechar las condiciones del suelo. Los nodos de Titanio y MMO se instalarn de forma directa a la estructura de soporte o como lechos flotantes, para el caso de estructuras sumergidas. Para la ubicacin del lecho de nodos se deben tomar en cuenta los siguientes factores: a) Facilidades de corriente: los lechos de nodos estarn ubicados de tal modo de utilizar al mximo la corriente de proteccin con un flujo mnimo de corriente de interferencia. b) Accesibilidad: el diseo debe procurar minimizar los problemas de obtencin de derecho de paso a la vez que se suministre accesibilidad para la instalacin, la inspeccin y el mantenimiento.


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c) Suelo: se preferir para la ubicacin de los lechos de nodos los suelos que contengan la mejor combinacin de baja resistividad elctrica, alta concentracin qumica y mximo contenido de humedad. d) Potencial estructura-electrolito: el lecho de nodos estar localizado de forma que el potencial entre la superficie recubierta y el electrolito no exceda los valores reportados en la Tabla 9. Tabla 9 - Potencial mximo entre la superficie recubierta y el electrolito, medido respecto al electrodo de Cu/CuSO4Condicin Suelo de alta resistencia, revestimiento de alta adherencia Suelo de alta resistencia, revestimiento de baja adherencia Suelo de baja resistencia Agua de mar Potencial Mximo (V) 3,0 2,5 2,0 1,3

La seleccin del tipo de lecho de nodos a utilizar (horizontal, vertical, profundo), depender de ciertas variables, tales como: precipitacin anual, condiciones del suelo, problemas de interferencia y costos del derecho de paso e inversin inicial. Los lechos de nodos de corriente impresa remotos (sencillos o distribuidos) debern utilizarse de acuerdo con los requerimientos mnimos de diseo y las consideraciones econmicas a que haya lugar. Las distancias recomendadas del lecho de nodos de corriente impresa a la tubera ser definida de acuerdo con lo indicado en la Tabla 10.


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Tabla 10 - Distancia mnima del lecho de nodos a la tuberaCapacidad de corriente Distancia mnima de las del lecho estructuras enterradas (A) (m) 30 50 50-100 80 100-150 150 FUENTE: Manual de Ingeniera de Diseo de Sistemas de Proteccin Catdica de Tuberas Enterradas. Lagoven. Marzo, 1997.

La separacin entre nodos de un lecho deber ser como mnimo 7,5 m; mientras los lechos de nodos de corriente impresa adyacentes debern estar separados entre s una distancia mnima de 50 m. Si la capacidad de salida de corriente de cualquiera de ellos es mayor que 50 A, la distancia mnima ser de 80 m. La resistencia del lecho de nodos puede ser disminuida aumentando el nmero de nodos, longitud del nodo, dimetro, profundidad o separacin y disminuyendo la resistencia del suelo adyacente a los nodos. Puede incrementarse el alcance de la proteccin al aumentar la distancia entre el lecho y la estructura protegida, as como tambin, mejorando el revestimiento de la estructura enterrada o sumergida adyacente al lecho de nodos. La salida de corriente estable del lecho puede asegurarse tomando previsiones para el reabastecimiento futuro de agua, si fuera necesario mantener la humedad.

9 CLCULOS DE DISEO9.1 nodos GalvnicosLa corriente de salida, drenada por el nodo, as como la determinacin del nmero de nodos requeridos, su tasa de consumo y el tiempo de servicio son fundamentales a la hora de disear un sistema de proteccin catdica. Para realizar los clculos de diseo se requiere de ciertos datos tcnicos, a saber: a) rea a proteger (m2, ft2) b) Revestimiento aplicado, en caso de estructuras nuevas c) Resistividad del Medio (ohm-cm) d) Temperatura promedio (C) e) Condicin del revestimiento (% rea desnuda o con daos). Ver Tabla 5.


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f)

Vida til de la estructura (activo)

g) Tipo de nodo, dimensiones h) Eficiencia del nodo (%) i) j) N= Factor de utilizacin del nodo (%) Densidad de corriente (mA/m2) Prequerido Pcomercial : : : Nmero de nodos Peso total de material andico requerido (Kg) Peso del nodo comercial (Kg)

donde: N Prequerido Pcomercial

8.76 Ap i n Prequerido = Eanodo C Futilizacion t donde: Prequerido : Peso total de material andico requerido (Kg) Ap : rea a proteger (m2) i : Densidad de corriente (mA/m2) n : Vida til del sistema de proteccin catdica (nmero de aos) Enodo : Eficiencia del nodo (%) Ct : Capacidad terica del nodo (A.h/kg)

Futilizacion

:

Factor de utilizacin (Futilizacin = 0.85)

El factor de utilizacin (Futilizacin) est determinado por la cantidad de material andico consumido (85%) cuando el material andico remanente no puede proporcionar la corriente requerida. En otras palabras, cuando el nodo se ha consumido el 85%, requerir reemplazo pues no hay suficiente material andico remanente para mantener un porcentaje razonable de su capacidad de corriente original. Para verificar la mxima salida de corriente por nodo, se debe calcular la resistencia elctrica del nodo en el medio. 9.1.1

Resistencia de un nodo Vertical en SueloPara nodos cilndricos, la resistencia puede ser calculada segn:R vert = 0.1592 8L 1 2.3 log L d

(Ec. de Dwight)

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

donde: Rvert L d

: : : :

Resistencia de un nodo vertical (ohm) Resistividad del medio (ohm-cm) Longitud del nodo (cm) Dimetro del nodo (cm)


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Para otras formas o configuraciones de nodos, el radio efectivo puede calcularse a partir de la siguiente expresin:r= A transversa l anodo

FUENTE: Curso de Proteccin Catdica. Nivel Avanzado. A. Alvarez y J. Goldin. Junio 1984.

donde: Atransversal anodo r

: :

rea transversal del nodo (cm2). Se calcula segn la forma geomtrica del nodo en cuestin. Radio efectivo del nodo (cm)

Igualmente, puede utilizarse la ecuacin de McCoy para calcular la resistencia de un nodo no cilndrico:R anodo = 0.315 A expuestaanodo no cilindrico

(Ec. de McCoy)

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

donde:

Ranodo

no cilindrico

: :

Resistencia de un nodo no cilndrico (ohm) Resistividad del medio (ohmcm) rea de superficie expuesta del nodo (cm2)

A exp uestaanodo

:

9.1.2

Resistencia de un nodo Horizontal en SueloR hor = 0.1592 2h 4L L + 2.3 log 2 + 2.3 log L d h L

(Ec. de Dwight)


donde: Rhor L d h 9.1.3

: : : : :

Resistencia de un nodo horizontal (ohm) Resistividad del medio (ohmcm) Longitud del nodo (cm) Dimetro del nodo (cm) Prof. medida desde la superficie hasta el centro del nodo (cm)

Resistencia de un nodo Colgado en AguaR colgado = 0.1592 8L 1 2.3 log L d

(Ec. de Dwight)


donde: Rcolgado L d

: : : :

Resistencia de un nodo colgado en agua (ohm) Resistividad del agua (ohmcm) Longitud del nodo (cm) Dimetro del nodo (cm)


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9.1.4

Resistencia de un nodo tipo Brazalete en AguaR brazalete = 0.315 A expuestaanodo

(Ec. de McCoy)

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

donde:

R brazalete

: : :

Resistencia de un nodo tipo brazalete (ohm) Resistividad del agua (ohmcm) rea de superficie expuesta del nodo (cm2)

A exp uestaanodo

9.1.5

Factor de Espaciamiento (FN)Cuando los nodos se colocan muy prximos uno de otro, se ofrecen interferencia entre s, siendo la resistencia del grupo de nodos mayor que la de un solo nodo.FN = 1 + ln ( 0.66 N ) SR anodo

donde: FN S

: : : : :

Factor de espaciamiento (>1) Resistividad del medio (ohmcm) Distancia entre nodos (cm) Resistencia de un nodo (ohm) Nmero de nodos

RanodoN

Luego, la resistencia del grupo o lecho de nodos se determina por:

Rlecho de anodos = FNdonde:

R anodo NResistencia de un lecho de nodos (ohm) Factor de espaciamiento (>1) Resistencia de un nodo (ohm) Nmero de nodos

Rlecho de anodos :FN : : :

RanodoN

A la resistencia total del sistema, debe agregarse la del cable empleado en las conexiones de los nodos. La salida de corriente por nodo es funcin del voltaje y la resistencia nodo/suelo. Se determina por la Ley de Ohm:

Ianodo =

Eanodo Ecatodo polarizado V = Ranodo Ranodo



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donde:

Ianodo RanodoV

: : : : :

Corriente de salida del nodo (A) Resistencia nodo/suelo (ohm) Diferencia esperada de potencial nodo-estructura (V) Potencial del nodo (V) Potencial del ctodo polarizado (V). (-0.85 V para el acero, o un valor ms negativo)

EanodoEctodo polarizado

El voltaje es la diferencia entre el potencial del nodo, o fuerza electromotriz, y el potencial del ctodo. A medida que pasa la corriente desde el nodo al ctodo, ocurre un cambio de potencial en ambos (polarizacin), y su diferencia de potencial se hace cada vez ms pequea hasta que se alcanza un valor de equilibrio, donde la cantidad de corriente que fluye es exactamente la requerida para mantener una diferencia de potencial constante (corriente de polarizacin). El valor utilizado para

Ianodo debe derivarse de la Ley de Ohm. Un error comn consiste

en utilizar los requerimientos de densidad de corriente mnima, suministrados por los estndares o cdigos existentes, y dividir su valor por el nmero de nodos para estimar la corriente individual del nodo. Se debe recordar que las densidades de corriente dadas en los estndares son mnimas, y en la generalidad de los casos, al disear nodos galvnicos por esta tcnica, stos producen ms corriente bajo la mayora de las condiciones operacionales. Durante el diseo, el especialista utilizar factores de seguridad que le permitan garantizar que el sistema cumplir con el objetivo planteado. Si Ianodo no es suficiente para producir el potencial de polarizacin deseado (potencial a circuito cerrado entre el ctodo y el electrodo de referencia), entonces se deber aumentar el nmero de nodos. 9.1.6

Vida til del nodo

Y=

M Cpractica Futilizacion 8760 Ianodo: : : : : Vida til o tiempo de servicio estimado del nodo (aos). Peso del nodo (kg) Capacidad prctica del nodo (A.h/kg) (Ver Tabla 7). Corriente drenada por el nodo (A) Factor de utilizacin ( Futilizacion = 0.85)


donde: Y M Cpractica

Ianodo Futilizacion 9.2

Corriente Impresa


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Para realizar los clculos de diseo de un sistema de proteccin catdica por corriente impresa se requiere de ciertos datos tcnicos, a saber: a) rea a proteger (m2) b) Porcentaje de deterioro del revestimiento (% de daos) (Ver Tabla 6). c) Densidad de corriente (mA/m2) d) Vida til del sistema de proteccin catdica (nmero de aos) Las ecuaciones siguientes pueden utilizarse para estimar la resistencia de un lecho de nodos convencionales profundo o superficial, constituido por nodos verticales u horizontales en una lnea central comn. 9.2.1 Resistencia de un Lecho de nodos Vertical (Rlecho vertical):

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

R anodo : R cabezal de cables : R cama verticalR anodo =

Resistencia nodo vertical-electrolito (ohm) Resistencia del cabezal de cables (ohm) Resistencia de la cama de nodos vertical (ohm)

:

0.00521 8L 1 2.3 log L d

(Ec. de Dwight)


donde:

R anodo L d

: : : :

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

La resistencia nodo/medio de un grupo de nodos verticales, en paralelo, y espaciados equidistantemente entre s, en lnea recta, es:RN = FI 1 R anodo + N S

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

donde:

RN R anodoN S

: : : : :

Resistencia del lecho de nodos (ohm) Resistencia de un nodo vertical (ohm) Nmero de nodos Resistividad del medio, medida a una profundidad correspondiente al espaciamiento de los nodos (ohm-cm) Espaciamiento de los nodos (cm)


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FI

:

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


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Tabla 11 - Factores de Interferencia (FI )N (No. de nodos)2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

FI0.00261 0.00290 0.00283 0.00268 0.00252 0.00238 0.00224 0.00212 0.00201 0.00192 0.00183 0.00175 0.00168 0.00161 0.00155 0.00150 0.00145 0.00140 0.00136 0.00132 0.00128 0.00124 0.00121 0.00118 0.00115 0.00112 0.00109 0.00107

29 30 0.00104 FUENTE: Pipeline Corrosion and Cathodic Protection. Third Edition. Marshall Parker & Edward Peattie. Gulf Publishing Company. Houston, 1995. P. 62.

Rcabezal de cables = ( N 1) S Rcable principal + N L cable anodo Rcable anododonde:

[

] [ (

)]

R cabezal de cables :N S

Resistencia del cabezal de cables (ohm) Nmero de nodos Espaciamiento entre nodos (m) Longitud del cable principal (m)

[ ( N 1) S]

: : :


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Rcable principal L cable anodo Rcable anodo

: : :

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

Se define cabezal de cables como la longitud de cable principal al cual se conectan los nodos individuales. Comprende, asimismo, la longitud de los cables de los nodos. La resistencia del cabezal de cables es cero en aquellos diseos en los cuales los nodos se interconecten individualmente a la caja de distribucin de positivos.0.00521 8L 2L 1 + 2.3 log ( 0.656 N ) 2.3 log NL d S

R cama

vertical

=

(Ec. de Sunde)


donde:

R cama vertical N S L d

: : : : : :

Resistencia de la cama de nodos vertical (ohm) Resistividad del medio (ohm-cm) Nmero de nodos Espaciamiento entre nodos (pies) Longitud de un nodo (pies) Dimetro de un nodo (incluye el relleno o backfill), (pies)

Rtotal cables = L cable positivo Rcable positivo + L cable negativo Rcable negativodonde:

R total cablesLcable positivo

: :

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

Lcable negativo

:

Rcable positivo Rcable negativo

: :

Esta ecuacin se aplica cuando los nodos se interconectan a un cabezal de cables que luego se extiende hacia el positivo del transformador/rectificador. En aquellos diseos en los que los cables se interconectan individualmente a una caja de distribucin de positivos, la resistencia total de los cables se calcula a partir de la siguiente expresin:


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Rtotal cables = Rtotal cables positivos + Rtotal cable negativo Rtotal cable negativo = Lcable negativo Rcable negativo 1 Rtotal cables positivos = 1 1 1 1 + + + + R1 R2 R3 RN

RN = LN Rcable positivodonde: Rtotal cables : Resistencia total de los cables positivos y negativo (ohm). (No incluye la resistencia del cabezal de cables, por cuanto sta se calcula segn ecuacin presentada con anterioridad). Resistencia de los cables positivos (ohm). Se define cable positivo como la longitud de cable que se extiende desde cada nodo hasta la caja de distribucin de positivos. Resistencia del cable negativo (ohm). Se define cable negativo como la longitud de cable que se extiende desde la estructura protegida hasta el negativo del transformador/rectificador. Longitud del cable negativo (m) Resistencia del cable negativo (ohm/m) (Ver Tabla 12). Resistencia del cable conectado al nodo 1, nodo 2, nodo 3 hasta el nodo N respectivamente (ohm) Longitud del cable conectado al nodo N (m). Tambin se conoce como longitud del cable positivo asociado al nodo N. Resistencia del cable positivo (ohm/m) (Ver Tabla 12). Nmero de nodos

Rtotal cables positivos

:

Rtotal cable negativo

:

Lcable negativo Rcable negativoR1 , R2 , RN LN

: : : : : :

Rcable positivoN

En el diseo de sistemas de proteccin catdica, es prctica comn utilizar cables de cobre aislados con polietileno, recubiertos con PVC (policloruro de vinilo), cuyas dimensiones dependen de la capacidad de corriente requerida. La Tabla 12 presenta los tamaos (calibres) de cables necesarios para diversas cargas de corriente, as como las resistencias correspondientes. Tabla 12 - Propiedades de los Conductores de Cobre (Cableado Clase B, cobre blando)Capacidad de Corriente (A)

Calibre AWG

Resistencia x 10-3 (ohm/m)


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18 16 14 12 10 8 6 4 2 1 1/0 2/0

21.4 13.4 8.45 5.32 3.342 2.102 1.322 0.8315 0.5230 0.4147 0.3288 0.2608 0.2069

5 10 15 20 30 40 55 70 95 110 125 145 165

3/0 4/0 0.1640 195 FUENTE: Accesorios Venezolanos, C.A. (ACCEVENCA)

R estructura =donde:

Pproteccion I requerida: : : Resistencia de la estructura (ohm) Potencial de proteccin (V) Corriente requerida (A)

R estructura Pproteccion Irequerida

Rcircu ito

= lech R o

v r ic l et a

+ estru tua R cr

+ toal R t

c be als

donde:

R circuito R lecho vertical R estructura R total cables

: : : :

Resistencia del circuito (ohm) Resistencia del lecho vertical (ohm) Resistencia de la estructura (ohm) Resistencia total de los cables (ohm)

Irequerida =donde:

Ap i 1000: : : Corriente requerida (A) rea a proteger (m2) Densidad de corriente (mA/m2)

IrequeridaAp i


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El voltaje de salida del transformador/rectificador ser: V =R ( I ) +, p ra d fin 2 a e ir tas r a r n fomstm ise a c c it ir u o r q eid eur a

d r e tif o/r c

ic d r ao

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

donde:

Vsistema R circuito Irequerida

: : :

Voltaje del sistema (V) Resistencia del circuito (ohm) Corriente requerida (A)

Para establecer la salida del rectificador, se emplea la Ley de Ohm. Se adicionan dos (02) voltios al voltaje del sistema debido a que si pusiramos en contacto la tubera de acero enterrada con los nodos de hierro/silicio en su relleno de coque metalrgico, se formara una pila de aproximadamente dos (02) voltios por diferencia galvnica, en la cual los nodos seran el ctodo de la pila, y la tubera, el nodo correspondiente. Si deseamos drenar corriente en sentido contrario, debemos aadir al voltaje calculado estos dos voltios, necesarios para vencer la pila anterior. A continuacin se presenta un esquema de un lecho de nodos vertical.

Esquema 1 Resistencia de un Lecho de nodos Vertical


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En el caso de una fila de nodos verticales paralelos, espaciados equidistantemente, la resistencia total mxima del circuito ser de 2 ohm. Slo en casos excepcionales, se aceptar una resistencia mxima de 3 ohm. El especialista deber definir el estrato con ms baja resistividad a travs del Mtodo de Capas de Barnes, lo cual permitir la ubicacin de los nodos a la profundidad ptima. 9.2.2 Resistencia de un Lecho de nodos Horizontal (Rlecho horizontal)

R lecho horizontal = R cabezal de cables + R cama horizontaldonde:

R lecho horizontal

:

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

R cabezal de cables :


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R cama horizontal

:

Resistencia de la cama de nodos horizontal (ohm)

Rcabezal de cables = ( N 1) S Rcable principal + N L cable anodo Rcable anododonde:

[

] [ (

)]

R cabezal de cables :N S

Resistencia del cabezal de cables (ohm) Nmero de nodos Espaciamiento entre nodos (m) Longitud del cable principal (m) Resistencia del cable principal (ohm/m). Ver Tabla 11 Longitud del cable del nodo (m) Resistencia del cable del nodo (ohm/m). Ver Tabla 11

[ ( N 1) S]

: : : : : :

Rcable principal L cable anodo Rcable anodo

Se define cabezal de cables como la longitud de cable principal al cual se conectan los nodos individuales. Comprende, asimismo, la longitud de los cables de los nodos. La resistencia del cabezal de cables es cero en aquellos diseos en los cuales los nodos se interconecten individualmente a la caja de distribucin de positivos.R cama = 0.1592 2h 4LL LL + 2.3 log 2 + 2.3 log LL D h LL

horizontal

(Ec. de Dwight)

donde:

R cama horizontal : h D LL : : : :

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

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

Nmero de nodos Longitud de un nodo (cm) Espaciamiento entre nodos (cm)

Rtotal cables = L cable positivo Rcable positivo + L cable negativo Rcable negativodonde:

R total cablesLcable positivo

: :

Resistencia total de los cables (ohm) Longitud del cable positivo (m). Se define cable positivo como la longitud de cable que se extiende desde el nodo No. 1 (o nodo


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Lcable negativo

:

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

Rcable positivo Rcable negativo

: :

Esta ecuacin se aplica cuando los nodos se interconectan a un cabezal de cables que luego se extiende hacia el positivo del transformador/rectificador. En aquellos diseos en los que los cables se interconectan individualmente a una caja de distribucin de positivos, la resistencia total de los cables se calcula a partir de la siguiente expresin:

Rtotal cables = Rtotal cables positivos + Rtotal cable negativo Rtotal cable negativo = Lcable negativo Rcable negativo 1 Rtotal cables positivos = 1 1 1 1 + + + + R1 R2 R3 RN

RN = LN Rcable positivodonde: Rtotal cables : Resistencia total de los cables positivos y negativo (ohm) (No incluye la resistencia del cabezal de cables, por cuanto sta se calcula segn ecuacin presentada con anterioridad). Resistencia de los cables positivos (ohm). Se define cable positivo como la longitud de cable que se extiende desde cada nodo hasta la caja de distribucin de positivos. Resistencia del cable negativo (ohm). Se define cable negativo como la longitud de cable que se extiende desde la estructura protegida hasta el negativo del transformador/rectificador. Longitud del cable negativo (m) Resistencia del cable negativo (ohm/m). Ver Tabla 11 Resistencia del cable conectado al nodo 1, nodo 2, nodo 3 hasta el nodo N respectivamente (ohm) Longitud del cable conectado al nodo N (m). Tambin se conoce como longitud del cable positivo asociado al nodo N.

Rtotal cables positivos

:

Rtotal cable negativo

:

Lcable negativo Rcable negativoR1 , R2 , RN LN

: : : :


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Rcable positivoN

: :

Resistencia del cable positivo (ohm/m). Ver Tabla 11 Nmero de nodos

R estructura =donde:

Pproteccion I requerida: : : Resistencia de la estructura (ohm) Potencial de proteccin (V) Corriente requerida (A)

R estructura Pproteccion Irequerida

Rcircuito = Rlecho horizontal + Restructura + Rtotal cablesdonde:

R circuito R lecho horizontal R estructura R cables

: : : :

Resistencia del circuito (ohm) Resistencia del lecho vertical (ohm) Resistencia de la estructura (ohm) Resistencia de los cables (ohm)

Irequerida =donde:

Ap i 1000: : : Corriente requerida (A) rea a proteger (m2) Densidad de corriente (mA/m2)

IrequeridaAp i

El voltaje de salida del transformador/rectificador ser:

Vsistema = Rcircuito Irequerida + 2, para definir transformador / rectificador.FUENTE: Pipeline Corrosion and Cathodic Protection. Third Edition. Marshall Parker & Edward Peattie. Gulf Publishing Company. Houston, 1995. P. 64.

(

)

donde:

Vsistema R circuito Irequerida

: : :

Voltaje del sistema (V) Resistencia del circuito (ohm) Corriente requerida (A)

Para definir un sistema de proteccin catdica por corriente impresa se debe especificar:


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a) Nmero de nodos b) Dimensiones y materiales de los nodos c) Tipo de lecho (profundidad, longitud, referencia geogrfica, dimetro de los huecos si es vertical) d) Espaciamiento entre nodos e) Capacidad del Transformador/Rectificador (T/R), caractersticas (enfriamiento con aceite/aire) f) Alimentacin AC para el T/R g) Ubicacin del Transformador/Rectificador (T/R) h) Cantidad y calibre de los cables positivos y negativos i) Tipo de relleno de los nodos A continuacin se presenta un esquema de un lecho de nodos horizontal.

Esquema 2 Resistencia de un Lecho de nodos Horizontal

10

AISLAMIENTO ELCTRICO


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El aislamiento elctrico es una herramienta importante para controlar la distribucin de la corriente en un sistema de proteccin catdica. Los dispositivos de aislamiento pueden ser utilizados para: a) Delimitar la estructura considerada en el diseo del sistema de proteccin catdica b) Mejorar la confiabilidad de la proteccin catdica c) Mejorar la eficiencia de la distribucin de corriente d) Controlar las corrientes de fuga El aislamiento elctrico consiste en la utilizacin de materiales de alta resistividad elctrica para obligar a la corriente a seguir la trayectoria definida. En el caso de instalaciones superficiales se disearn accesorios de aislamiento a fin de controlar el flujo de corriente. Cuando los accesorios estn enterrados, se llevarn a la superficie cables de tamao adecuado, desde ambos lados del aislamiento, como medio de monitoreo y medicin de corriente. Puede requerirse el aislamiento de estructuras en los siguientes puntos: a) Conexiones hacia otras estructuras no protegidas diferentes a la estructura de inters b) Soportes metlicos c) Ambos extremos de vlvulas operadas con motor d) Transiciones de lneas costa afuera-costa adentro, enterrada-superficial. e) A la salida de las plantas costa adentro f) En la entrada y salida de instalaciones tales como: refineras, plantas de distribucin, patio de tanques, entre otros Los aislamientos no se instalarn en reas enterradas de la tubera. Se debern instalar cajas de conexiones a travs de los dispositivos de aislamiento, en lugares accesibles para mitigar interferencia elctrica. Todos los soportes metlicos de la tubera y anclajes debern estar elctricamente aislados de la tubera. Se deber considerar la utilizacin de dispositivos de aislamiento en los extremos de los corredores de tuberas, cuando el aislamiento individual de soportes de tuberas de gran dimetro no sea prctico y econmico. Se colocarn accesorios de aislamiento en los tramos que sea necesario a lo largo de la estructura a proteger a fin de obtener un control de la corriente. Estos accesorios son


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instalados generalmente, en componentes previstos en el diseo, tales como vlvulas, a fin de minimizar el costo de los aislamientos. La seleccin y el diseo de los accesorios aislantes (brida o unin) que vayan a ser utilizados, depender de los requerimientos especficos segn el caso. El material ser seleccionado de renglones estandarizados en funcin de su fabricacin. El aislamiento debe ser colocado en: a) Lneas Principales: Se deben aislar de las estructuras, en estaciones y terminales, cruces de ros, etc. b) Tanques de almacenamiento: Se deben aislar de estructuras metlicas que estn conectadas al tanque c) Lneas ajenas a la planta d) Lneas de flujo: Se deben aislar de los pozos e) reas revestidas: En el caso de tuberas revestidas, stas sern aisladas de las estructuras adyacentes no revestidas f) Bridas en tanquillas y superficiales: En ambos casos deben estar aisladas electricamente de manera que cada perno de ambas bridas debe estar completamente aislado Existen algunos puntos que requieren de un aislamiento especial, a saber a) Vlvulas en Cajas de Vlvulas: Sern aisladas en el punto de soporte mediante dos lminas metlicas separadas por una lmina de material aislante b) Soportes sobre los Muelles: Se aislarn de las tuberas utilizando mltiples capas de revestimiento de vidrio saturado con material impregnante o una capa de material aislante c) Cruce de Lneas y Lneas Paralelas: Se dejar una separacin mnima de 305 mm (12 pulg) fuente de este valor entre lneas que se cruzan para efectos de aislamiento. En los casos que no se obtenga esta separacin se puede aislar utilizando lminas de material aislante. El espesor de la lmina aislante depender de la distancia entre lneas. Sin embargo, esta distancia no ser menor de 6,35 mm (1/4 pulg). Cuando sea posible, el espacio entre lneas paralelas iguales o mayores a 6 pulgadas ser como mnimo 2,5 veces el dimetro de la lnea de mayor dimetro d) Conductor de Puesta a Tierra y Tubera de Proteccin: Estarn aisladas de las secciones de tubera revestida. Los conductores de puesta a tierra de cobre desnudo, tendrn una separacin mnima de 305 mm (12 pulg) de otras estructuras enterradas de diferente metal y alejados la mxima distancia posible de sistemas de proteccin catdica (lechos de nodos)


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e) Estructuras metlicas enterradas de diferentes caractersticas: Sern aisladas entre ellas

10.1

Sistemas de Proteccin de los Accesorios Aisladores

10.1.1 Descargador de Sobretensiones para Bridas Aislantes En los casos en que la aplicacin lo permita, la brida ser protegida instalando un descargador de sobretensiones en los pernos de las bridas. Se puede utilizar un puente electroltico tal como una celda de puesta a tierra prefabricada de cinc, a fin de proteger el aislamiento de la brida. 10.1.2 Dispositivos de Descargas Atmosfricas Donde no sea prctico instalar descargadores de sobretensiones o puentes electrolticos, en las bridas y en todas las uniones aisladas, se conectar un pararrayo en paralelo con la brida aislada, en un lugar accesible para fines de mantenimiento. 10.1.3 Corriente Alterna Puentes electrolticos, tales como celdas de puesta a tierra prefabricadas de nodos de cinc, se usarn en las bridas aisladas donde se desee interrumpir slo la corriente continua.

11

INTERFERENCIA ELCTRICADurante el diseo de SPC, el personal debe estar alerta o pendiente para observar aspectos elctricos o fsicos que pudieran indicar la presencia de corrientes de interferencia de una fuente externa, tales como: a) Fuentes externas de corriente DC: sistemas de proteccin catdica forneos y cercanos, sistemas ferroviarios, metros, sistemas UPS, entre otros. b) Fuentes externas de corriente AC: torres de distribucin de alta tensin, subestaciones elctricas, transformadores, entre otros. En reas en la cual se sospecha la presencia de corrientes de interferencia, debern realizarse pruebas apropiadas. Todas las partes afectadas debern ser notificadas antes de realizar cualquier prueba. Cualquiera o una combinacin de los siguientes mtodos de pruebas deben ser usados. a) Sistemas cercanos y existentes: se debe realizar al menos el ensayo de Close Interval Potencial Survey (CIPS).


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b) Sistemas nuevos: se deben realizar los ensayos CIPS y DCVG. Estas pruebas deben ser realizadas al culminar la fase de construccin para establecer un base cero de la estructura. Se pueden aplicar como medidas preventivas en las etapas de diseo e instalacin: a) Puentes elctricos de resistencia apropiada entre las estructuras identificadas. El puente elctrico conduce la corriente de interferencia de una estructura afectada a la estructura interfiriente y/o fuente de corriente. b) Dispositivos de control unidireccional, tales como diodos o suiches de corriente reversa, pueden requerirse en conjunto con puentes elctricos si estn presentes fluctuaciones de corrientes. Estos dispositivos previenen el regreso del flujo de corriente. c) Un resistor puede ser necesario en el circuito puente para controlar el flujo

criterios de diseÑo protecciÓn catÓdica

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