Download - Anejo 2 - Protección Catódica
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HEYMO
ESTUDIO PARA LA PROTECCIÓN CATÓDICA DEL
GASODUCTO MÉRIDA - MIAJADAS
2501-05.a JC/nm
Madrid, 17 de Marzo de 2005
2/501-05 JC/sl
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Í N D I C E
I INTRODUCCIÓN........................................................4
I.1 Objeto del Proyecto
I.2 Corrosión de tuberías enterradas
II CARACTERÍSTICAS DE LA TUBERÍA .....................8
II.1 Tubería
II.2 Revestimiento exterior
III TRABAJOS DE CAMPO ............................................10
III.1 Medida de resistividades
III.2 Influencia con otras instalaciones
III.3 Emplazamiento de equipos
III.3.1 Estaciones de Protección Catódica
III.3.2 Cajas de toma de potencial
III.3.3 Juntas aislantes
IV CÁLCULOS DE LOS LECHOS ANÓDICOS..............15
IV.1 Límite de protección
IV.2 Lechos anódicos
IV.3 Potencia de los rectificadores
IV.4 Características de las EPC’s
IV.4.1 Lecho anódico
IV.4.2 Electrodo permanente
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V APÉNDICE .................................................................19
V.1 Resistencia de los lechos anódicos. Lecho horizontal
V.2 Potencia de los rectificadores
VI VALORACIÓN............................................................23
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I INTRODUCCIÓN
I.1 Objeto del Proyecto
El presente documento tiene por objeto establecer los criterios de protección
catódica en fase de estudio, para la tubería enterrada que constituye el gasoducto
Mérida – Miajadas, y el ramal a Don Benito que sale del mismo.
I.2 Corrosión de tuberías enterradas
La tierra es un electrolito de mayor o menor contenido en agua y sales, con
resistencia específica que varía en función de estos contenidos, de tal manera
que será tanto más agresiva cuanto mayor contenido salino y más humedad
tenga.
El origen de la corrosión, de un metal que está en contacto con un electrolito, es la
formación de pilas galvánicas sobre su superficie, parte de la cual actuará como
ánodo, frente a otra parte que actuará como cátodo. Una vez establecidas estas
pilas, las zonas anódicas cederán electrones a las catódicas, quedando el metal
de las primeras en estado iónico, apto para reaccionar con el medio acuoso que le
rodea y formar el producto de corrosión correspondiente.
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La formación de las pilas de corrosión, puede establecerse entre pequeñas zonas
de superficie metálica, muy próximas entre sí (micropilas de corrosión) o entre
grandes zonas distantes (macropilas). Todas ellas contribuyen a la corrosión del
metal.
Para evitarla, empleamos dos métodos complementarios: Trataremos de eliminar,
en todo lo posible, el contacto del metal con el electrolito tierra, recubriendo la
superficie de la tubería con un material aislante, en este caso, con una
formulación a base de 2,5 mm. de polietileno extruido sobre la tubería.
Por muy buenas características que tenga un revestimiento, no es posible
conseguir con él, un aislamiento total del metal con el electrolito, quedando al
descubierto pequeñas zonas del metal por porosidad, grietas e impactos sobre el
revestimiento. Estas pequeñas zonas de metal descubierto, actuarán como
ánodos, frente al resto del metal cubierto, produciéndose en ellas un proceso de
corrosión muy rápido, que dará como resultado la pronta aparición de taladros en
la pared de la tubería.
Si logramos que toda la superficie metálica se convierta en cátodo de una
determinada pila, el metal no tendrá emigración de electrones y por lo tanto,
permanecerá inmune a la corrosión. Este concepto nos da idea de en qué
consiste el segundo método de combatir la corrosión, que es la PROTECCIÓN
CATÓDICA.
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Al unir eléctricamente dos metales de distinto potencial electroquímico, estando
estos sumergidos en un electrolito, se establecerá una pila galvánica en la que el
metal más electronegativo (ánodo), cederá electrones al más electropositivo
(cátodo), aumentando el potencial de aquél (haciéndose menos electronegativo) y
disminuyendo el potencial de éste (haciéndose más electronegativo). Los
electrones (cargas negativas) del ánodo, emigran hacia el cátodo, disminuyendo
las cargas negativas del ánodo y aumentando en el cátodo.
En el caso de una tubería enterrada, este proceso se realiza si de tramo en tramo
vamos conectándola a piezas de magnesio o cinc enterradas a poca distancia de
la tubería, cuyas piezas se denominarán ánodos de sacrificio, ya que se irán
disolviendo a expensas de suministrar al acero, la corriente de electrones
necesaria para mantenerlo inmune.
Este suministro constante de electrones al acero, puede hacerse desde una
fuente de corriente continua externa, la cual tendrá su polo negativo conectado a
la tubería que se pretende proteger y el polo positivo a un conductor eléctrico,
enterrado a distancia conveniente de la tubería. Con esta disposición, la corriente
continua pasa desde el conductor (ánodo) a la tubería a través del electrolito
tierra, produciendo semejante concentración de electrones sobre la superficie de
acero, que la obtenida con los ánodos de sacrificio. A este último procedimiento
se le denomina "Corriente impresa".
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En el proyecto que nos ocupa, el sistema de protección catódica definitivo a
emplear es el de corriente impresa, si bien el gasoducto, también dispondrá de un
sistema de protección provisional mediante ánodos de sacrificio, que mantendrá al
mismo protegido, desde el comienzo de su construcción hasta la instalación y
puesta en marcha de las EPC´s.
A lo largo del presente proyecto, se establecerán los criterios de protección,
cantidad de corriente para conseguirlo y definición de los elementos que
componen el sistema.
A tal efecto se han realizado las medidas de campo necesarias para obtener los
datos suficientes que permitan establecer la situación y dimensionado del equipo
y accesorios del sistema de protección catódica, y para prever interferencias o
influencias con otras estructuras.
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II CARACTERÍSTICAS DE LA TUBERÍA
II.1 Tubería
La tubería que nos ocupa tiene las siguientes características:
Diámetro (´´) Longitud (m) Espesor (mm.) Superficie (m2)
12” 73.760 7,1 (para cálculo) 75.078,52
El espesor de la tubería es variable a lo largo del trazado, considerándose en el
cálculo el de 7,1. La tubería será de acero al carbono, construida según la
norma API 5L, Grado X-42. La profundidad de enterramiento es de
aproximadamente 1 m.
II.2 Revestimiento exterior
La tubería irá revestida exteriormente, con el sistema tricapa de polietileno de alta
calidad, aplicado en taller por extrusión lateral, sobre el cual se habrán efectuado
los ensayos adecuados de adherencias, respuesta catódica y despegado por
evolución de hidrógeno. El espesor del revestimiento será el especificado en cada
caso.
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Los tubos saldrán del taller con sus extremos libres de revestimiento en 15 cm.,
para la posterior soldadura.
Una vez soldados los tramos, la junta de soldadura se deberá de proteger con
material termorretráctil o varias capas de cintas de polietileno autoadhesivas.
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III TRABAJOS DE CAMPO
El trabajo de campo, preliminar al de oficina, está encaminado a obtener los datos
numéricos necesarios para la confección del proyecto. Estos datos son:
Resistividades cada 1.000 a 2.000 m. (aprox.) a lo largo de la traza, a las
profundidades de 1,6 y 3,2 m.
Resistividad en lugares de ubicación de lechos anódicos, así como
disponibilidades de corriente.
Resistividades medidas a pie de poste de líneas de alta tensión.
Determinación de posibles interferencias con otras estructuras y
emplazamientos de equipos (cajas de toma de potencial, juntas aislantes
con sus correspondientes cajas de toma de potencial especial).
III.1 Medida de resistividades
La medida de resistividades del terreno tiene tres funciones: ver la agresividad del
terreno, buscar el emplazamiento idóneo de los lechos anódicos y calcular la
influencia que las líneas eléctricas aéreas puedan tener sobre la tubería.
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. Estas medidas, juntamente con la inspección visual del terreno, nos da idea de la
naturaleza del terreno ocupado por el trazado.
El sistema de medida, fue realizado con resistivímetro de cuatro picas, llamado
método Wenner Schlumberger, con el cual obtenemos una lectura de resistencia
R. Si la distancia entre las picas centrales es "a" cm. y entre éstas y las extremas
“b” cm., la resistividad del terreno vendrá dada por la fórmula:
Según criterios universalmente adoptados, la agresividad de corrosión de un
suelo, depende de la resistividad del mismo, habiéndose establecido la siguiente
relación:
Resistividad del suelo en ΩΩΩΩ ××××cm. Agresividad del suelo ______________________________________________________________ Hasta 500 Fuertemente agresivo De 500 a 2.000 Muy agresivo De 2.000 a 10.000 Normalmente agresivo Superior a 10.000 Moderadamente agresiva
... 2
2
cmenab
abRa ×Ω
+= πρ
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Esta relación entre la resistividad de un suelo y la corrosividad del mismo, se debe
de entender, para zonas de terreno uniformes, en las que van a estar enterradas
determinadas estructuras (tanque o su fondo, red de tuberías en una factoría,
etc.). Pero al tratarse de una tubería larga que va a atravesar terrenos de diversas
resistividades, es más interesante considerar el conjunto para entender las
numerosas pilas que podrían formarse por concentración diferencial y aireación.
III.2 Influencia con otras instalaciones
La tubería que nos ocupa podría estar influenciada por cruzamientos y
paralelismos con líneas eléctricas de alta tensión.
III.3 Emplazamiento de equipos
En los trabajos de campo, están incluidos el de elección del lugar idóneo para la
ubicación de la EPC o EPC´s, disponibilidades de corriente y medida de
resistividades para el cálculo y colocación del lecho anódico.
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III.3.1 Estaciones de Protección Catódica
Tal y como se detalla más adelante, el gasoducto que nos ocupa será protegido
mediante dos EPC´s, situadas en las posiciones a construirse en las posiciones
MR-MJ-03 y MR-MJ-06.
III.3.2 Cajas de toma de potencial
Irán colocadas en puntos accesibles a distancia aproximada entre 1.000 y 2.000
m., haciéndolas coincidir, en lo posible, con cruces de carreteras, caminos, ríos y
puntos especiales.
Cada 5 km aproximadamente, la caja correspondiente deberá llevar conectado un
electrodo probeta.
III.3.3 Juntas aislantes
Se instalarán juntas aislantes monoblock en los puntos donde sea necesario, para
garantizar el buen funcionamiento de la instalación de protección catódica.
Cada una de estas juntas aislantes irá controlada a través de cajas de toma de
potencial especial con descargadores de sobretensión y puesta a tierra, señaladas
en la colección de planos con TPE. En el caso de los cruces con el FFCC y de las
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posiciones intermedias, será necesario llevar un cable de by-pass, que
proporcione continuidad eléctrica entre los tramos aislados.
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IV CÁLCULO DE LOS LECHOS ANÓDICOS
Los cálculos que damos a continuación, están basados en las siguientes
premisas:
El revestimiento de las tuberías es de polietileno extruido, según se ha
mencionado en II.2.
La inspección del recubrimiento antes y durante el montaje, será muy
estricta, reparando defectos de manejo y transporte, debiendo de suponerse
que la eficiencia del mismo será superior al 98%.
El sistema definitivo de protección catódica a emplear es el de corriente
impresa.
IV.1 Límite de protección
Generalmente los límites de protección establecidos están basados en que el
potencial de la semipila formada por la tubería (electrodo), enterrada en terreno
normal (electrolito), medido respecto a la semipila Cu/SO4Cu, estuviera
comprendido entre -1 y -2 V. Este criterio se está aplicando posicionando la
semipila de referencia en la superficie del suelo y en la vertical al eje de la tubería,
posición del electrodo que será válida para medir potencial natural de la tubería,
antes de aplicar protección catódica, pero no lo es para la medida de potenciales
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de protección, con el sistema de protección energizado, circulando una corriente
de intensidad I.
Por lo tanto el criterio de protección debería de modificarse, exigiendo que los
potenciales tubería-suelo, respecto al electrodo Cu/SO4Cu estuvieran
comprendidos entre -1 y –1,5 V. medidos en el momento de la interrupción de
IV.2 Lechos anódicos
Si bien en las medidas de resistividades se obtuvieron fueron muy bajas, para el
cálculo de los lechos anódicos se han considerado unas resistividades del suelo
de 5.000 Ω x cm., para ambas posiciones.
Ambos lechos anódicos serán del tipo horizontal continuo, de 0,3 × 0,3 m. de
sección. En el párrafo V.1 se da el cálculo de su longitud, respecto a su
resistividad y tensión de salida de la fuente de corriente continua.
Los lechos anódicos llevarán en el centro del relleno de coque ánodos de Titanio
con activación MMO (Ti-MMO). La vida del lecho anódico será de 25 años.
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IV.3 Potencia de rectificadores
Según los cálculos del párrafo V (apéndice), los rectificadores de corriente alterna
deberán de tener una salida de corriente rectificada como mínimo de:
- 5 A a 35 V., para la EPC situada en la pos. MR-MJ-03
- 5 A a 35 V. para la EPC situada en la pos. MR-MJ-06
IV.4 Características de las EPC’s
Las EPC´s tendrán las siguientes características:
Lecho anódico Transforrectificador
Situación
ρρρρ de cálculo
en ΩΩΩΩ ×××× cm Clase Long.
activa mLong.
Total m Ánodos Nº V A Colocación
Posición MR-MJ-03 5.000 Horizontal 15 15
Pletina Ti-MMO
20x3x15003 35 5
Posición MR-MJ-06 5.000 Horizontal 15 15
Pletina Ti-MMO
20x3x15003 35 5
IV.4.1 Lecho anódico
Los lechos anódicos en ambas EPC´s estarán constituidos por 3 ánodos de
Titanio MMO, en pletinas de 20 x 3 x 1.500 mm, que irán situados en el centro de
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un relleno continuo de coque de petróleo calcinado de 0,3 × 0,3 m. de sección, y
15 y 30 m. de longitud respectivamente.
El lecho horizontal irá enterrado a 1,5 m. de profundidad.
IV.4.2 Electrodo permanente
- Los electrodos de referencia Cu/SO4Cu permanentes, serán de cuerpo
cerámico especial.
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V APENDICE
V.1 Resistencia de un Lecho Anódicos Horizontal
La hoja adjunta de ordenador, está basada en la fórmula:
En la que :
L = Longitud del lecho 15 m.
D = Diámetro equivalente del lecho de 0,3 × 0,3 m. de sección = 33,85 cm.
S = Profundidad de enterramiento 160 cm.
ρ = Resistividad del suelo de 5.000 Ω × cm.
Aplicando estos valores a la fórmula (1), obtenemos unas resistencias de lecho
de 2,99 Ω.
L2S + 2 -
SL +
D4L
L x x 2 = R lnln
πρ
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HEYMO INGENIERIA
MÉRIDA - MIAJADAS
Posición MR-MJ-03
RESISTENCIA DE UN LECHO ANÓDICO HORIZONTAL CONTINUO
Longitud del lecho L (en m) 15,00Sección (en cm) 30,00Diámetro equivalente D (en cm) 33,85Profundidad de enterramiento S (en cm) 160,00Resistividad del terreno en (WWWW x cm) 5.000,00Resistencia del lecho R (en WWWW) 2,99Resistencia total del circuito (en WWWW) 3,51Salida máxima de corriente (en A) 5,00Tensión máxima del rectificador (en V) 17,57Superficie activa del lecho (en m²) 18,00Densidad de corriente de trabajo del lecho (en mA/m²) 277,778Cantidad de coque (en Kg) 1.012,50Número de ánodos 3Clase de ánodos Ti-MMO
−++××
= 22ln4ln2 L
SSL
DL
LR
πρ
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MÉRIDA - MIAJADAS
Posición de MR-MJ-06
RESISTENCIA DE UN LECHO ANÓDICO HORIZONTAL CONTINUO
Longitud del lecho L (en m) 15,00Sección (en cm) 30,00Diámetro equivalente D (en cm) 33,85Profundidad de enterramiento S (en cm) 160,00Resistividad del terreno en (WWWW x cm) 5.000,00Resistencia del lecho R (en WWWW) 2,99Resistencia total del circuito (en WWWW) 3,51Salida máxima de corriente (en A) 5,00Tensión máxima del rectificador (en V) 17,57Superficie activa del lecho (en m²) 18,00Densidad de corriente de trabajo del lecho (en mA/m²) 277,778Cantidad de coque (en Kg) 1.012,50Número de ánodos 3Clase de ánodos Ti-MMO
−++××
= 22ln4ln2 L
SSL
DL
LR
πρ
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V.2 Potencia de los rectificadores
La resistencia del lecho arriba calculada puede representar el 85% de la
resistencia total del circuito, por tanto, para conducir los 5 A. en un circuito de
2,99 Ω la tensión sería de 17,57 V. Se instalará un rectificador de 5 A , 35 V.
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VI VALORACIÓN
Materiales de las E.P.C´s 10.325,83 E
Materiales de Línea 27.531,00 E
Montaje EPC 2.713,85 E
Puesta en marcha, regulación y confección de informe final 5.116,35 E
TOTAL 45.687,03 E