universidad tecnolÓgica...

II

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE TECNOLOGÍA DE PETRÓLEOS

TEMA: " DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR

CORRIENTE IMPRESA EN LÍNEAS DE PIPETRACK EN LA REFINERÍA DE

LA LIBERTAD (RLL) CONTRA LA CORROSIÓN"

TESIS DE GRADO PREVIA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE TECNÓLOGO

DE PETRÓLEOS

AUTOR: EDGAR PATRICIO MIÑO YÉPEZ

DIRECTOR: ING. FAUSTO RAMOS AGUIRRE M.Sc.

QUITO-ECUADOR

Junio 2011

III

DECLARACIÓN

Del contenido del presente trabajo se responsabiliza única y exclusivamente el autor.

Edgar P. Miño Y.

C.C. 172064792-2

Autor

IV

CERTIFICACIÓN DEL DIRECTOR DE TESIS

Quito, 10 de Junio del 2011

Señor Ingeniero

Jorge Viteri M.Sc. - MBA

Decano de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería

Universidad Tecnológica Equinoccial

Presente

De mi consideración:

Por medio de la presente me permito informar que la tesis titulada "DISEÑO DEL

SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA EN

LÍNEAS DE PIPETRACK EN LA REFINERÍA DE LA LIBERTAD (RLL)

CONTRA LA CORROSIÓN ", desarrollada por el Sr. Edgar Patricio Miño Yépez,

previa a la obtención del título de Tecnólogo de Petróleos, ha sido concluida bajo mi

dirección y tutoría, por lo tanto muy comedidamente solicito a su autoridad el trámite

subsiguiente.

Por la atención a la presente, anticipo mi agradecimiento.

Atentamente,

V

CARTA DE LA EMPRESA

VI

AGRADECIMIENTO

Agradezco primeramente a Dios por ser mi guía en todo momento, porque me ha

bendecido con un hogar lleno de amor y me ha dado la fuerza para levantarme a

cumplir mis metas de vida todos los días.

A mi madre, mis hermanos, mi novia, mis sobrinos por inspirarme a través de sus

ojos, por dejarme creer que el mañana será mejor.

A mi padre, mi familia y amigos por creer en mi y apoyarme cuando más lo necesité.

A la Universidad Tecnológica Equinoccial y al Ing. Jorge Viteri Moya por poner a

nuestra disposición un equipo excelente de profesionales para nuestra formación.

Un agradecimiento especial al Ing. Fausto Ramos, quien ha puesto todo su

conocimiento a disposición del cumplimiento de ésta investigación.

Edgar P. Miño Y.

VII

DEDICATORIA

Este trabajo está dedicado a mi madre LUCÍA YÉPEZ G. por ser la persona más

importante de mi vida, la que siempre me ha dado todo su amor, porque ha sido mi

ejemplo a seguir y sobre todo porque siempre estuvo ahí.

Edgar P. Miño Y.

VIII

ÍNDICE CONTENIDOS

DECLARACIÓN ---------------------------------------------------------------------------III

CERTIFICACIÓN DEL DIRECTOR DE TESIS ----------------------------------- IV

CARTA DE LA EMPRESA -------------------------------------------------------------- V

AGRADECIMIENTO -------------------------------------------------------------------- VI

DEDICATORIA -------------------------------------------------------------------------- VII

ÍNDICE CONTENIDOS --------------------------------------------------------------- VIII

ÍNDICE GENERAL---------------------------------------------------------------------- IX

ÍNDICE DE ECUACIONES ----------------------------------------------------------- XV

ÍNDICE DE REACCIONES ----------------------------------------------------------- XV

ÍNDICE DE FIGURAS --------------------------------------------------------------- XVIII

ÍNDICE DE TABLAS ----------------------------------------------------------------- XXII

ÍNDICE DE ANEXOS ---------------------------------------------------------------- XXIV

RESUMEN ------------------------------------------------------------------------------ XXV

SUMMARY ---------------------------------------------------------------------------- XXVI

IX

ÍNDICE GENERAL

CAPÍTULO I --------------------------------------------------------------------------------- 1

1. INTRODUCCIÓN --------------------------------------------------------------------- 1

1.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ---------------------------------------------- 2

1.2 JUSTIFICACIÓN --------------------------------------------------------------------- 3

1.3 OBJETIVOS --------------------------------------------------------------------------- 4

1.3.1 OBJETIVO GENERAL -------------------------------------------------------- 4

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS -------------------------------------------------- 4

1.4 METODOLOGÍA --------------------------------------------------------------------- 5

1.4.1 MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN ------------------------------------------ 5

1.4.2 TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN ------------------------------------------ 5

1.5 HIPÓTESIS ---------------------------------------------------------------------------- 6

1.5.1 HIPÓTESIS GENERAL -------------------------------------------------------- 6

1.5.2 HIPÓTESIS ESPECÍFICAS --------------------------------------------------- 6

1.6 VARIABLES -------------------------------------------------------------------------- 6

1.6.1 VARIABLE DEPENDIENTE ------------------------------------------------- 6

1.6.2 VARIABLE INDEPENDIENTE ---------------------------------------------- 7

1.6.3 VARIABLE INTERVINIENTE ----------------------------------------------- 7

CAPÍTULO II -------------------------------------------------------------------------------- 8

2. MARCO TEÓRICO --------------------------------------------------------------------- 8

X

2.1 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LA CORROSIÓN ----------------------------- 8

2.1.1 HISTORIA DE LA PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN -------- 8

2.1.2 INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA CORROSIÓN -----------------10

2.1.3 ASPECTOS GENERALES DE LA CORROSIÓN -------------------------12

2.1.4 FORMAS, CAUSAS, VARIABLES Y TIPOS DE CORROSIÓN -------13

2.1.4.1 FORMAS DE CORROSIÓN ---------------------------------------------13

2.1.4.2 CAUSAS DE CORROSIÓN----------------------------------------------14

2.1.4.2.1 CELDA DE CORROSIÓN DIFERENCIAL ----------------------14

2.1.4.2.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL AGUA -------------------------18

2.1.4.2.3 CONCENTRACIÓN DE GASES DISUELTOS EN FLUIDO --20

2.1.4.2.3.1 OXÍGENO DISUELTO -----------------------------------------21

2.1.4.2.3.2 DIÓXIDO DE CARBONO DISUELTO ----------------------23

2.1.4.2.3.3 ÁCIDO SULFHÍDRICO DISUELTO -------------------------28

2.1.4.2.4 METALURGIA DEL ACERO --------------------------------------30

2.1.4.3 VARIABLES FÍSICAS ---------------------------------------------------30

2.1.4.3.1 TEMPERATURA -----------------------------------------------------31

2.1.4.3.2 PRESIÓN --------------------------------------------------------------31

2.1.4.3.3 VELOCIDAD ---------------------------------------------------------31

2.1.4.3.4 ESFUERZOS DE TENSIÓN ----------------------------------------32

2.1.4.4 TIPOS DE CORROSIÓN -------------------------------------------------33

2.1.4.4.1 CORROSIÓN LOCALIZADA --------------------------------------35

XI

2.1.4.4.1.1 CELDAS DE CONCENTRACIÓN ---------------------------35

2.1.4.4.1.2 CORROSIÓN POR UNIÓN BI-METÁLICA Ó

CORROSIÓN GALVÁNICA -----------------------------------------------36

2.1.4.4.1.3 CORROSIÓN - EROSIÓN ------------------------------------38

2.1.4.4.1.4 CORROSIÓN - CAVITACIÓN -------------------------------39

2.1.4.4.1.5 CORROSIÓN INTERGRANULAR --------------------------40

2.1.4.4.1.6 FALLAS CAUSADAS POR HIDRÓGENO ----------------40

2.1.4.4.1.7 CORROSIÓN CAUSADA POR FATIGA -------------------43

2.1.4.4.2 CORROSIÓN UNIFORME -----------------------------------------45

CAPÍTULO III -----------------------------------------------------------------------------47

3. PRINCIPIOS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN

CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA -----------------------------------------47

3.1 COMPONENTES DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR

CORRIENTE IMPRESA ----------------------------------------------------------------53

3.1.1 FUENTES DE CORRIENTE --------------------------------------------------54

3.1.1.1 RECTIFICADORES ----------------------------------------------------------54

3.1.1.2 VOLTÍMETRO ------------------------------------------------------------55

3.1.1.3 DÍNAMO CON MOTOR TÉRMICO -----------------------------------56

3.1.2 ÁNODOS AUXILIARES ------------------------------------------------------56

3.1.2.1 CHATARRA DE HIERRO -----------------------------------------------56

XII

3.1.2.2 FERROSILICIO ------------------------------------------------------------57

3.1.2.3 GRAFITO -------------------------------------------------------------------57

3.1.2.4 TITANIO PLATINADO --------------------------------------------------58

3.1.2.5 TÁNTALO PLATINADO ------------------------------------------------59

3.1.2.6 PLOMO - PLATA ---------------------------------------------------------59

3.1.2.7 TITANIO-ÓXIDO DE TITANIO Y ÓXIDO DE RUTENIO --------60

3.1.3 PROPIEDADES DE LOS ÁNODOS AUXILIARES ----------------------61

3.1.4 CÁLCULO DE LA PROTECCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LOS

ÁNODOS -------------------------------------------------------------------------------64

3.1.5 - BACKFILL O ACTIVADOR ------------------------------------------------68

3.1.6 - RESISTIVIDAD DEL SUELO ----------------------------------------------70

3.1.6.1 - DETERMINACIÓN DE RESISTIVIDAD POR EL MÉTODO DE

LOS CUATRO ELECTRODOS --------------------------------------------------71

3.2 VENTAJAS Y LIMITACIONES DEL MÉTODO DE PROTECCIÓN

CATÓDICA CON CORRIENTE IMPRESA ------------------------------------------75

3.2.1 VENTAJAS DEL MÉTODO DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON

CORRIENTE IMPRESA -------------------------------------------------------------75

3.2.2 LIMITACIONES DEL MÉTODO DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON

CORRIENTE IMPRESA -------------------------------------------------------------75

3.3 CONDICIONES DE PROTECCIÓN CATÓDICA. CRITERIOS DE

POTENCIAL Y REQUERIMIENTOS DE CORRIENTE ---------------------------76

XIII

3.3.1 CRITERIO PARA LA ELECCIÓN DEL POTENCIAL DE

PROTECCIÓN -------------------------------------------------------------------------76

3.3.1.1 CRITERIO BASADO EN CONSIDERACIONES

TERMODINÁMICAS -------------------------------------------------------------76

3.3.1.2 OTROS CRITERIOS ------------------------------------------------------80

3.3.1.3 ALGUNOS CRITERIOS UTILIZADOS EN LA PRÁCTICA -------82

3.4 MEDIDA DEL POTENCIAL -------------------------------------------------------84

3.4.1 MEDIDA DEL POTENCIAL EN ESTRUCTURAS ENTERRADAS ---87

3.5 MATERIAL UTILIZADO ----------------------------------------------------------91

3.5.1 ELECTRODOS DE REFERENCIA ------------------------------------------91

3.5.1.1 TIPOS DE ELECTRODOS DE REFERENCIA UTILIZADOS EN

LA INDUSTRIA --------------------------------------------------------------------98

3.5.1.1.1 ELECTRODO DE CALOMELANOS -----------------------------98

3.5.1.1.2 ELECTRODO DE PLATA/CLORURO DE PLATA ------------99

3.5.1.1.3 ELECTRODO DE ZINC ------------------------------------------- 101

3.5.1.1.4 ELECTRODO DE COBRE/SULFATO DE COBRE ---------- 103

3.6 DENSIDAD DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN ---------------------------- 106

3.6.1 VALORES PRÁCTICOS DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE DE

PROTECCIÓN ----------------------------------------------------------------------- 108

3.6.2 SOBREPROTECCIÓN ------------------------------------------------------- 112

XIV

CAPÍTULO IV ---------------------------------------------------------------------------- 115

4. INSTALACIÓN DEL LECHO ANÓDICO PARA LA PROTECCIÓN DE

PIPETRACK EN RLL ------------------------------------------------------------------ 115

4.1 SELECCIÓN DEL TIPO DE PROTECCIÓN ----------------------------------- 116

4.2 CÁLCULOS DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR

CORRIENTE IMPRESA -------------------------------------------------------------- 117

CAPÍTULO V ----------------------------------------------------------------------------- 128

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ---------------------------------- 128

5.1 CONCLUSIONES ------------------------------------------------------------------ 128

5.2 RECOMENDACIONES ----------------------------------------------------------- 129

GLOSARIO DE TÉRMINOS ---------------------------------------------------------- 130

BIBLIOGRAFÍA ------------------------------------------------------------------------- 132

ANEXOS ----------------------------------------------------------------------------------- 134

XV

ÍNDICE DE ECUACIONES

ECUACIÓN 2.1 – PRESIÓN PARCIAL -------------------------------------------------27

ECUACIÓN 3.1 CÁLCULO DE LA RESISTIVIDAD ---------------------------------73

ECUACIÓN 3.2 ECUACIÓN DE NERNST --------------------------------------------77

ECUACIÓN 3.3 – POTENCIAL EN FUNCIÓN DEL pH -----------------------------92

ECUACIÓN 3.4 – POTENCIAL DE LA PILA PROPUESTA ------------------------94

ECUACIÓN 3.5 – DENSIDAD DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN DE UNA

ESTRUCTURA PROTEGIDA ---------------------------------------------------------- 111

ECUACIÓN 4.1 – ÁREA DE TUBERÍA A PROTEGER ---------------------------- 118

ECUACIÓN 4.2 - CÁLCULO DE LA CORRIENTE NECESARIA O REQUERIDA

PARA EL SISTEMA ---------------------------------------------------------------------- 120

ECUACIÓN 4.3- CÁLCULO DE LA MASA ANÓDICA REQUERIDA --------- 121

ECUACIÓN 4.4 - CÁLCULO DEL NÚMERO DE ÁNODOS REQUERIDOS -- 122

ECUACIÓN 4.5 - RESISTENCIA DE UN ÁNODO CON RELLENO ------------ 122

ECUACIÓN 4.6 - VOLTAJE DE SALIDA DEL RECTIFICADOR --------------- 123

ECUACIÓN 4.7 – SUMATORIA DE RESISTENCIAS ----------------------------- 124

ECUACIÓN 4.8 - CAPACIDAD DEL TRANSFORMADOR ---------------------- 124

XVI

ÍNDICE DE REACCIONES

REACCIÓN 2.1 – OXIDACIÓN ---------------------------------------------------------11

REACCIÓN 2.2 – REDUCCIÓN DE OXÍGENO ---------------------------------------11

REACCIÓN 2.3 –REDUCCIÓN DE AGUA --------------------------------------------11

REACCIÓN 2.4 – CATÓDICA ------------------------------------------------------------16

REACCIÓN 2.5 – CATÓDICA EN AGUAS ÁCIDAS --------------------------------16

REACCIÓN 2.6 – CATÓDICA EN AGUAS ALCALINAS ---------------------------17

REACCIÓN 2.7 – DIÓXIDO DE CARBONO DISUELTO EN AGUA PARA

FORMAR ÁCIDO CARBÓNICO ---------------------------------------------------------24

REACCIÓN 2.8 – ÁCIDO CARBÓNICO CON EL HIERRO ------------------------24

REACCIÓN 2.9 – SULFURO DE HIERRO PRODUCTO DE LA CORROSIÓN

POR H2S --------------------------------------------------------------------------------------28

REACCIÓN 3.1 – DISOLUCIÓN DEL HIERRO (ACERO) --------------------------78

REACCIÓN 3.2 – METAL EN CONTACTO CON EL ELECTROLITO,

TENDENCIA A DISOLVERSE -----------------------------------------------------------91

REACCIÓN 3.3 – IONES DEL ELECTROLITO SOBRE EL METAL --------------91

REACCIÓN 3.4 – EQUILIBRIO DEL METAL EN CONTACTO CON EL

ELECTROLITO EN UN DETERMINADO MOMENTO -----------------------------92

XVII

REACCIÓN 3.5 – OXIDACIÓN DE LA REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA 93

REACCIÓN 3.6 – TRANSFERENCIA DE ELECTRONES ENTRE ELECTRODOS

-------------------------------------------------------------------------------------------------94

REACCIÓN 3.7 - ELECTRODO DE CALOMELANOS ------------------------------98

REACCIÓN 3.8 - ELECTRODO DE PLATA / CLORURO DE PLATA ---------- 100

REACCIÓN 3.9 - ELECTRODO DE ZINC-------------------------------------------- 101

REACCIÓN 3.10 - ELECTRODO DE COBRE / SULFATO DE COBRE -------- 103

XVIII

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 2.1 – MEDALLA DE ORO CON LA FOTOGRAFÍA DE ROBERT J.

KUHN ESTABLECIDA POR EL COMITÉ TÉCNICO DE LA PROTECCIÓN

CATÓDICA ----------------------------------------------------------------------------------- 9

FIGURA 2.2 – ESQUEMA MOSTRANDO UNA CELDA DE CORROSIÓN

DIFERENCIAL ------------------------------------------------------------------------------15

FIGURA 2.3 – CORROSIÓN DEL ACERO ---------------------------------------------17

FIGURA 2.4 – CORROSIVIDAD COMPARATIVA DE 3 GASES COMUNES EN

SOLUCIONES DE AGUA -----------------------------------------------------------------19

FIGURA 2.5 – EFECTO DEL OXÍGENO -----------------------------------------------22

FIGURA 2.6 – CORROSIÓN POR O2, CORROSIÓN POR CO2 ACELERADA

POR O2 ----------------------------------------------------------------------------------------23

FIGURA 2.7 – CORROSIÓN POR CO2 --------------------------------------------------25

FIGURA 2.8 – GUÍA GENERAL DE PREDICCIÓN DE CORROSIÓN POR CO2

-------------------------------------------------------------------------------------------------26

FIGURA 2.9 – EFECTO DE LA PRESIÓN PARCIAL DEL CO2 SOBRE EL pH -27

FIGURA 2.10 – CORROSIÓN POR H2S ------------------------------------------------29

FIGURA 2.11 – LAS 8 FORMAS DE CORROSIÓN ----------------------------------34

XIX

FIGURA 2.12 – CORROSIÓN - CAVITACIÓN ----------------------------------------39

FIGURA 2.13 – CORROSIÓN UNIFORME --------------------------------------------45

FIGURA. 3.1 - DIAGRAMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA -----------------------48

FIGURA 3.2 - DIAGRAMA DE ESTABILIDAD TERMODINÁMICA O

DIAGRAMA POTENCIAL - pH, MÁS CONOCIDO COMO DIAGRAMA DE

POURBAIX PARA EL HIERRO----------------------------------------------------------49

FIGURA 3.3 (A, B, C) - DIAGRAMA DE EVANS ------------------------------------50

FIGURA 3.4 - SISTEMA BAJO CONTROL: (A) ANÓDICO, (B) CATÓDICO ---51

FIGURA 3.5 - ESQUEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON CORRIENTE

IMPRESA DE UNA TUBERÍA ENTERRADA. ----------------------------------------53

FIGURA 3.6 - ESQUEMA DE UN TRANSFORRECTIFICADOR MONOFÁSICO

-------------------------------------------------------------------------------------------------55

FIGURA 3.7 - EJEMPLO DE INTERFERENCIA PROVOCADA POR UNA

TUBERÍA EXTRAÑA SITUADA EN LA PROXIMIDAD DE UNA TUBERÍA

PROTEGIDA CATÓDICAMENTE ------------------------------------------------------66

FIGURA 3.8 - SENTIDO DE LA CORRIENTE DE UN SISTEMA DE

PROTECCIÓN CATÓDICA CON CORRIENTE IMPRESA DE UNA TUBERÍA.

-------------------------------------------------------------------------------------------------67

XX

FIGURA 3.9 - MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO POR EL

MÉTODO DE WENNER O DE LOS CUATRO ELECTRODOS. LA DISTANCIA

(B) O SEA LA PROFUNDIDAD A LA QUE ESTÁ ENTERRADA EL

ELECTRODO (BARRA DE COBRE O ACERO) DEBE SER PEQUEÑA

COMPARADA CON LA DISTANCIA (A) ENTRE LOS ELECTRODOS. --------71

FIGURA 3.10 - DISPOSICIÓN CORRECTA DE LOS CUATRO ELECTRODOS

PARA LA MEDIDA DE LA RESISTIVIDAD EN PRESENCIA DE UNA

TUBERÍA ENTERRADA ------------------------------------------------------------------73

FIGURA 3.11 - DENSIDAD DE LA CORRIENTE DE PROTECCIÓN CON

DIFERENTES POTENCIALES -----------------------------------------------------------82

FIGURA 3.12 - EQUIVALENCIA APROXIMADA ENTRE LAS ESCALAS DE

POTENCIAL RELATIVAS A LOS ELECTRODOS DE REFERENCIA

UTILIZADOS EN PROTECCIÓN CATÓDICA. ---------------------------------------85

FIGURA 3.13 - REALIZACIÓN PRÁCTICA DE MEDIDA DE POTENCIAL DE

UNA TUBERÍA CON UN ELECTRODO DE REFERENCIA DE Cu/CuSO4

SATURADO ---------------------------------------------------------------------------------88

FIGURA 3.14 - CAMPO ELÉCTRICO ALREDEDOR DE UNA TUBERÍA -------89

XXI

FIGURA 3.15 - (A) LA MEDIDA DE POTENCIAL NO SE VE AFECTADA POR

EL CAMPO ELÉCTRICO. (B) LA MEDIDA DE POTENCIAL SE VE

AFECTADA POR EL CAMPO ELÉCTRICO -------------------------------------------90

FIGURA 3 .16 - ELECTRODO DE REFERENCIA CALOMELANOS

SATURADO, ECS --------------------------------------------------------------------------99

FIGURA 3.17 – ELECTRODO DE REFERENCIA DE PLATA / CLORURO DE

PLATA, (Ag/AgCl) ----------------------------------------------------------------------- 100

FIGURA 3.18 – ELECTRODO DE REFERENCIA DE ZINC (ZN)---------------- 102

FIGURA 3.19 - ELECTRODO DE REFERENCIA DE COBRE/ SULFATO DE

COBRE (Cu/CuSO4) ---------------------------------------------------------------------- 104

FIGURA 3.20 - MÉTODO EXPERIMENTAL DEL TRAZADO DE UNA CURVA

DE POLARIZACIÓN UTILIZABLE PARA EL CÁLCULO DE LA DENSIDAD

DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN (DP). ------------------------------------------- 107

FIGURA 4.1 – LÍNEAS DE PIPETRACK DE LA REFINERÍA DE LA LIBERTAD

RLL ------------------------------------------------------------------------------------------ 115

FIGURA 4.2 - SITIO SUGERIDO DE APLICACIÓN DE ÁNODOS ------------- 126

FIGURA 4.3 – SISTEMA DE CORRIENTE IMPRESA CON UNA CAMA

ANÓDICA EN SUPERFICIE ------------------------------------------------------------ 127

XXII

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 2.1 – CORROSIÓN GALVÁNICA ENTRE METALES --------------------37

TABLA 3.1 - CARACTERÍSTICAS DE LOS ÁNODOS EMPLEADOS EN

PROTECCIÓN CATÓDICA CON CORRIENTE IMPRESA CLASIFICADOS

SEGÚN SU CONSUMO Y EL MEDIO A UTILIZARSE -----------------------------63

TABLA 3.2 - DENSIDAD DE CORRIENTE NECESARIA (EN MA/KM), PARA

LA PROTECCIÓN DE UNA TUBERÍA ENTERRADA EN FUNCIÓN DE LA

RESISTENCIA DEL REVESTIMIENTO Y DEL DIÁMETRO DEL CONDUCTO

-------------------------------------------------------------------------------------------------68

TABLA 3.3 – VALORES DE RESISTIVIDAD Y CARACTERIZACIÓN DE

ACUERDO AL MEDIO AL QUE SE EXPONE ----------------------------------------74

TABLA 3.4 - POTENCIAL DE PROTECCIÓN EXPRESADOS EN VOLTIOS A

DIFERENTES pH DE ALGUNOS METALES, OBTENIDO A PARTIR DE LOS

CORRESPONDIENTES DIAGRAMAS DE POTENCIAL -pH A 25°C ------------80

TABLA 3.5 - POTENCIAL DE PROTECCIÓN ADOPTADO GENERALMENTE

EN SUELO Y AGUA DE MAR ----------------------------------------------------------83

TABLA 3.6 SERIE ELECTROQUÍMICA DE LOS METALES ----------------------97

TABLA 3.7 - ELECTRODOS DE REFERENCIA (NORMA AMERICANA: MIL-

A-18001 H) --------------------------------------------------------------------------------- 102

XXIII

TABLA 3.8 - DENSIDAD DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN EN DISTINTOS

MEDIOS AGRESIVOS ------------------------------------------------------------------- 108

TABLA 3.9 - VALOR LÍMITE DEL POTENCIAL APLICADO PARA DIVERSOS

TIPOS DE PINTURA. -------------------------------------------------------------------- 110

TABLA 3.10 - ESPESORES MÍNIMOS PARA DIVERSOS ESQUEMAS DE

PINTADO RESISTENTES A UN POTENCIAL DE -900 mV VS. Ag/AgCl --- 114

TABLA 4.1 – DATOS DE LÍNEAS DE PIPETRACK ------------------------------- 117

TABLA 4.2 – DATOS DE ÁNODOS (FERROSILICIO) ---------------------------- 118

TABLA 4.3 – RESULTADOS DEL DISEÑO ----------------------------------------- 125

XXIV

ÍNDICE DE ANEXOS

ANEXO 1 – CONSTRUCCIÓN DE UNA INSTALACIÓN DE PROTECCIÓN

CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA ------------------------------------------- 134

ANEXO 2 – DIAGRAMA TÍPICO DEL POTENCIAL CONSTANTE DEL

RECTIFICADOR -------------------------------------------------------------------------- 135

ANEXO 3 – ESQUEMA DE INTERFERENCIA ANÓDICA ----------------------- 136

ANEXO 4 – ESQUEMA DE INTERFERENCIA CATÓDICA --------------------- 136

ANEXO 5 – ESQUEMA DE INTERFERENCIA ANÓDICA Y CATÓDICA ---- 137

ANEXO 6 – PRINCIPIO DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA MINIMIZAR LA

INTERFERENCIA ANÓDICA ---------------------------------------------------------- 137

ANEXO 7 – USO DE ÁNODOS DE SACRIFICIO PARA MITIGAR LA

INTERFERENCIA CATÓDICA -------------------------------------------------------- 138

ANEXO 8 – LÍNEAS DE PIPETRACK DE LA REFINERÍA DE LA LIBERTAD

QUE SE SUGIERE PROTEGER -------------------------------------------------------- 139

XXV

RESUMEN

Este trabajo se ha desarrollado para adquirir el conocimiento científico, que permita

diseñar un sistema de protección catódica por corriente impresa en líneas de

pipetrack en la Refinería de La Libertad RLL para controlar efectivamente el

avance de la corrosión.

El primer capítulo trata el planteamiento de objetivos tanto generales como

específicos, la justificación de la investigación, hipótesis, variables que se

consideraron, así como de los métodos y técnicas que se aplicaron para el desarrollo

de ésta investigación.

El segundo capítulo explica que es la corrosión sus formas, causas, variables, tipos y

demás consideraciones que intervienen en la degradación de un material a través de

la interacción con el medio ambiente.

El tercer capítulo incluye los principios de diseño considerados para la instalación de

un sistema de protección catódica por corriente impresa.

El cuarto capítulo propone la instalación del lecho anódico para la protección de las

líneas de pipetrack central de la Refinería de La Libertad RLL las que llevan los

productos desde tanquería de destilados hasta cabeza del muelle.

Finalmente, el quinto capítulo contiene las conclusiones y recomendaciones de éste

trabajo, de acuerdo a todas las investigaciones y los cálculos obtenidos los

resultados presentados deberán ser implementados en el sitio sugerido.

XXVI

SUMMARY

This work was developed to get scientific knowledge, that allow to design a

impressed current cathodic protection system in pipetrack lines in the Refinery La

Libertad RLL to control the progress of corrosion.

The first chapter covers the plan general and specific objectives, the justification of

research, hypothesis, considered variables, methods and techniques applied to

develop this research.

The second chapter explains that the corrosion its forms, causes, variables, types, and

other considerations involved in the degradation of a material through interaction

with the environment.

The third chapter includes the design principles considered for the installation of

impressed current cathodic protection system.

The fourth chapter proposes the installation of the anode bed to protect the lines of

central pipetrack in the Refinery La Libertad RLL that carry products from distillate

tanks until spring.

Finally, the fifth chapter contains the conclusions and recommendations of this work;

according to all investigations and calculations obtained the results presented should

be implemented at the site suggested.

CAPÍTULO I

1

CAPÍTULO I

1. INTRODUCCIÓN

La Refinería está situada en la provincia de Santa Elena, cantón La Libertad. En el

mes de noviembre de 1989, se revertieron al Estado Ecuatoriano las instalaciones de

la Refinería Anglo Ecuadorian Oil Fields Ltda. y en el año 1990 la refinería Repetrol

(ex Gulf), al concluir los contratos de operación con éstas compañías.

Está diseñada para procesar 45000 BPD del Oriente ecuatoriano y produce los

siguientes derivados: GLP, gasolina, diesel No. 1, diesel No. 2, jet fuel, JP1, Fuel Oil

No. 6, solvente No. 1, solvente No. 2 (rubber solvent), spray oil y mineral turpentine.

Tiene 60 años de operación en la península de Santa Elena es el centro refinador más

antiguo del Ecuador, y ahora el segundo por su capacidad de producción. Las líneas

de pipetrack están deterioradas lo cual puede provocar un derrame de los productos

que por ahí circulan, trayendo consecuencias lamentables debido al estado y tamaño

de las líneas.

La diferencia de potencial entre los materiales de las líneas y la existencia de un

electrolito en contacto con ellos hace que uno de los materiales actúe de ánodo,

sufriendo la ionización o deterioro.

El deterioro que se produce en un metal es proporcional al flujo de electrones que

recibe y éste a su vez depende del potencial, de la resistencia del mismo y de la

naturaleza química del ánodo y del cátodo, siendo el primero atacado o disuelto,

mientras que el segundo no queda afectado.

El problema de corrosión es imposible de eliminar, y lo que se debe hacer es

controlarla para ello debe iniciarse desde el diseño de las instalaciones y no después

2

de ponerlas en operación ya que todos los metales o aleaciones son susceptibles a

sufrir corrosión los resultados eventuales, provocarán la ruptura del pipetrack.

La interacción del metal con el medio que lo rodea ocasiona el deterioro del mismo

en sus propiedades físicas y químicas.

La característica fundamental de este fenómeno, es que sólo ocurre en presencia de

un electrolito, ocasionando corrosión en regiones plenamente identificadas, llamadas

estas anódicas y catódicas: una reacción de oxidación es una reacción anódica, en la

cual los electrones son liberados dirigiéndose a otras regiones catódicas. En la región

anódica se producirá la disolución del metal (corrosión) y, consecuentemente en la

región catódica la inmunidad del metal.

Se puede presentar una reducción o la eliminación de la corrosión de un metal,

haciendo que, la superficie de éste, funcione completamente como cátodo cuando se

encuentra sumergido o enterrado en un electrolito, presentando un análisis técnico

sustentado para justificar la necesidad de proceder a una instalación de protección

catódica por corriente impresa con la finalidad de recuperar la eficiencia y

confiabilidad del pipetrack.

1.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

En la Refinería La Libertad existe un pipetrack que es un conjunto de tuberías

metálicas que conducen los destilados producidos diariamente desde la tanquería

de almacenamiento hasta los sistemas de transporte y/o distribución instalados en

tierra como en el mar.

Éste pipetrack actualmente no está protegido contra la corrosión más que con

aislamiento del suelo y pinturas adecuadas, necesitando complementarse con

3

protección catódica con corriente impresa para incrementar su vida útil y

disminuir la probabilidad de derrames por corrosión de éste sistema de tuberías.

1.2 JUSTIFICACIÓN

La corrosión está presente en todo equipo metálico que utiliza la industria

petrolera, por lo cual es un problema al que debemos controlar y minimizarlo por

sus consecuencias económicas, de seguridad industrial y de impactos ambientales.

La corrosión analizada desde un punto de vista termodinámico electroquímico,

indica que el metal tiende a retornar a su estado original que es el de óxido, con

mínima energía. Éste es un proceso irreversible que tiene que ser controlado y no

puede ser eliminado.

Un equipo metálico con adecuada protección anticorrosiva por diferentes medios

en la industria petrolera tiene una vida útil promedio de hasta 25 años.

Sin ninguna protección anticorrosiva su vida útil puede ser de 6 meses,

provocando pérdidas económicas e impactos ambientales.

El sistema de protección catódica por corriente impresa es el más adecuado y

completo para todo equipo metálico de importancia, ya que otros sistemas de

protección como pinturas o aislamiento son una mínima protección, de allí la

importancia de éste trabajo para garantizar la vida útil y confiabilidad de éste

pipetrack.

4

1Para evidenciar el alto impacto de la corrosión en la industria se indica que desde

1999 al 2001, Estados Unidos tuvo un total anual de pérdidas por corrosión de

aproximadamente 276 mil millones de dólares, el mismo que representa

aproximadamente el 3.1% del PIB de ese país.

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVO GENERAL

Obtener el conocimiento científico que permita controlar efectivamente la

velocidad de corrosión en tuberías metálicas que transportan hidrocarburos en

la Refinería La Libertad (RLL), especialmente en el pipetrack.

1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar los factores que influyen en la corrosión de la línea de

pipetrack de destilados en RLL para diseñar un sistema efectivo que

controle la misma.

Diseñar el sistema de protección catódica por corriente impresa para la

línea de pipetrack de destilados en RLL.

1 Revista de Divulgación Científica y Tecnológica de la Universidad Veracruzana

Volumen XX Número 2 (Corrosión: fenómeno natural, visible y catastrófico)

http://www.uv.mx/cienciahombre/revistae/vol20num2/articulos/corrosion/

5

Prevenir la ruptura de líneas de pipetrack provocadas por corrosión lo

que impedirá posibles derrames de destilados.

1.4 METODOLOGÍA

1.4.1 MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN

Método Sintético.- Consiste en integrar los factores que incurren en la

corrosión y mediante su estudio nos ayudarán a diseñar un sistema de

protección catódica por corriente impresa adecuado para las líneas de

pipetrack de la Refinería de La Libertad.

Método Descriptivo.- Identificar las características de la zona que

generan corrosión y mediante su correcta interpretación aplicar las

protecciones.

1.4.2 TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN

Técnica de Observación Científica.- Percibir activamente las

condiciones de las líneas de pipetrack con el propósito de obtener los

datos que nos ayuden a diseñar un sistema de protección catódica por

corriente impresa efectiva contra la corrosión.

6

1.5 HIPÓTESIS

1.5.1 HIPÓTESIS GENERAL

Si se protege adecuadamente la línea del pipetrack de destilados de RLL se

incrementará la vida útil del sistema y disminuirá impactos ambientales y

económicos. El actual sistema de protección con pinturas y aislamiento del

suelo no garantiza ésta protección.

1.5.2 HIPÓTESIS ESPECÍFICAS

Si se realiza una adecuada investigación de los parámetros de

influencia corrosiva en la zona donde están las líneas de pipetrack se

podrá controlar la corrosión.

Si se conocen las diferentes formas en las que puede presentarse la

corrosión en un metal o aleaciones podrán tomarse medidas

preventivas contra la misma.

1.6 VARIABLES

1.6.1 VARIABLE DEPENDIENTE

El tipo de material que se utilizó para construir las líneas de pipetrack

(limitaciones del material, costo y diferencia de potencial con los ánodos de

sacrificio).

7

1.6.2 VARIABLE INDEPENDIENTE

Análisis del tipo de protección en las líneas de pipetrack (protección catódica

por corriente impresa).

1.6.3 VARIABLE INTERVINIENTE

Rectificador (corriente eléctrica continua apta para la protección de la

estructura.).

CAPÍTULO II

8

CAPÍTULO II

2. MARCO TEÓRICO

2.1 FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LA CORROSIÓN

2.1.1 HISTORIA DE LA PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN

Las obras de Platón (427-347 A.C) contienen el primer escrito q describe a la

corrosión. Platón definió la oxidación como el componente terrenal de la

separación del metal. Georgius Agricola celebró con este dictamen, unos

2000 años más tarde en su obra mayor mineralógica De Natura Fossilium:

"Óxido de hierro (lat. ferrugo o rubigo) es, por así decirlo, una secreción de

una plancha metálica. El hierro puede ser protegido contra este defecto por

varios envoltorios, tales como el plomo rojo, plomo blanco, yeso, bitumen o

alquitrán". Gaius Secundus Pliny también mencionó el bitumen, brea, plomo

blanco, y el yeso como la protección del hierro y de bronce contra la

corrosión.

El concepto de proceso corrosivo, fue derivado del latín corredere, (cual

significa el que come o el que destruye), su primera aparición fue en las

Transacciones Filosóficas en 1667. La Protección Catódica usando un

recubrimiento de bitumen alcanzado en la antigüedad se hizo en

Mesopotamia, Algunos escritores de la antigüedad, tales como Dido, Strabo y

Vitruvius mencionan que el asfalto fue obtenido en Babilonia. Alrededor de

5000 años atrás, las calles de Ur, capital de Sumeria (norte del presente

Kuwait) se encendieron en la noche con aceite mineral.

9

La protección catódica de la tubería no se desarrolló en Alemania pero se

aplicó ahí en 1928 y se mejoró en Estados Unidos. En la Figura 2.1 se muestra

una medalla con la cabeza de Robert J. Kuhn, llamado “El Padre de la

Protección Catódica” en América. Él instaló el primer Rectificador de

protección catódica en 1928 en una tubería de gas de larga distancia en Nueva

Orleans.

Figura 2.1 – Medalla de oro con la fotografía de Robert J. Kuhn

establecida por el Comité Técnico de la Protección Catódica

Fuente: Handbook of Cathodic Corrosion Protection. Theory and practice of

electrochemical protection processes (Third Edition) W. Von Baeckmann, W.

Schwenk and W. Prinz

Elaborado por: Edgar Miño

El American Petroleum Institute (API) en Los Ángeles declaró en 1935 que

las corrientes de protección galvánica de ánodos de zinc ya no podía proteger

a las tuberías en las distancias cada vez mayores que se utilizaban y que la

protección contra ataques químicos, tales como los ácidos, era

definitivamente imposible.

Dado que las tuberías en los Estados Unidos se establecieron en su mayoría

sin revestimiento o cualquier aislante hoy por hoy, la protección catódica de

10

tales tuberías resultó relativamente costosa y requiere una considerable

protección por corriente. Por ello no es sorprendente que incluso en 1930 sólo

a cerca de 300 km de tubería en América estaban protegidos por los ánodos

de zinc y 120 km por corriente impresa. Entre ellas se encontraban las

tuberías en Houston, Texas, y Memphis, Tennessee, las cuales habían sido

protegidas catódicamente por Kuhn desde 1931 hasta 1934.

A principios de 1954, I. Denison fue galardonado con el Premio Whitney por

la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión (NACE). Denison

explicó: "En la primera conferencia de protección corrosiva en 1929 Kuhn

describe cómo el potencial de una tubería que estaba deprimido a -0.85 V en

contra del cobre saturado / sulfato de cobre del electrodo con un rectificador

de corriente continua. No hace falta recordar que este valor es el criterio

aceptado potencial para la protección catódica utilizado en todo el mundo hoy

en día".

2.1.2 INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA CORROSIÓN

Una definición general de la corrosión es la degradación de un material a

través de la interacción del medio ambiente. Esta definición engloba todos los

materiales, tanto de origen natural y los realizados por el hombre incluye

plásticos, cerámicas y metales.

Este estudio se concentrará en la corrosión metálica. Una cantidad

significativa de energía se pone en un metal cuando este se extrae de los

minerales, que lo coloque en un estado de alta energía. Uno de los principios

de la termodinámica es que un material siempre busca el estado de menor

energía. En otras palabras, mayoría de los metales son termodinámicamente

inestables y tienden a buscar un estado de menor energía, que es un óxido o

algún otro compuesto. El proceso por el cual los metales se convierten a

óxidos de baja energía se llama corrosión.

11

La corrosión de materiales es más común en temperaturas cercanas al

ambiente se produce en solución acuosa y están en la naturaleza

electroquímica. El medio acuoso es también referido como el electrolito y, en

el caso de los subterráneos la corrosión, es la tierra húmeda.

El proceso de corrosión implica el retiro de los electrones (Oxidación) del

metal Reacción 2.1 y el consumo de estos electrones por alguna reacción de

reducción, tales como la reducción de oxígeno o el agua Reacción 2.2 y

Reacción 2.3 respectivamente.

Reacción 2.1 – Oxidación

Fe Fe++

+ 2e-

Fuente: Peabody´s Control of Pipeline Corrosion (Second Edition). A.W.

Peabody, 2001 by NACE.


Reacción 2.2 – Reducción de oxígeno

O2 + 2H2O + 4e- 4OH

-




Reacción 2.3 –Reducción de agua

2H2O + 2e- H2 + 2OH

-




12

La reacción de oxidación que comúnmente se llama la reacción anódica y la

reacción de reducción es llamada reacción catódica. Ambas reacciones

electroquímicas son necesarias para que ocurra la corrosión. La reacción de

oxidación causa la actual pérdida de metal pero la reacción de reducción debe

estar presente para consumir los electrones liberados por la reacción de

oxidación, manteniendo la carga neutral.

De lo contrario, una larga carga negativa de gran rapidez se desarrollaría entre

el metal y el electrolito y el proceso de corrosión cesaría. Las reacciones de

oxidación y reducción se refieren a veces como reacciones de media celda y

pueden ocurrir a nivel local (en el mismo sitio sobre el metal) o puede ser

separada físicamente.

2.1.3 ASPECTOS GENERALES DE LA CORROSIÓN

Todos los metales son susceptibles a sufrir el fenómeno de corrosión, el paro

de la instalación puede darse como resultado de la misma, provocando gastos

directos e indirectos de 2Aspectos Económicos, Aspectos Humano-Sociales,

Aspectos de Seguridad Industrial y Aspectos Ambientales.

Aspectos Económicos:

- Reposición del equipo perdido

- Coeficiente de seguridad y sobre diseño para soportar la corrosión

- Mantenimiento preventivo como la aplicación de recubrimientos

- Paros de transporte de productos terminales

- Contaminación de productos

- Pérdida de productos

- Daño de equipo adyacente

2 Tesis Guillermo Zambrano, “Aplicación y procedimiento de la instalación de un lecho Anódico para

la protección Catódica de un tramo del poliducto Quito- Ambato en el sector Pichilata Km. 108,

Petrocomercial” UTE

13

Aspectos Humano-Sociales:

- Condiciones Insalubres.- La contaminación debido a productos del

equipo corroído

-Agotamiento de Recursos Naturales.- En metales como en

combustibles usados para su manufactura

- Apariencia.- Los materiales corroídos generan contaminación visual

Aspectos de Seguridad Industrial:

- Las fallas violentas pueden llegar a provocar incendios explosiones y

liberación de productos tóxicos con consecuencias fatales para toda

instalación petrolera

Aspectos Ambientales

- Derrames de hidrocarburos con afectación directa al medio físico

como suelo subsuelo, agua superficial, agua subterránea, flora, fauna,

y la atmosfera.

2.1.4 FORMAS, CAUSAS, VARIABLES Y TIPOS DE CORROSIÓN

2.1.4.1 FORMAS DE CORROSIÓN

La corrosión ataca en diferentes formas que dependen de todas las

variables existentes en un sistema, forma de trabajo y de la metalurgia del

equipo involucrado. Generalmente se basa en uno de éstos tres factores3:


la protección Catódica de un tramo del poliducto Quito- Ambato en el sector Pichilata Km. 108,


14

a. Apariencia del metal corroído.- La corrosión puede ser uniforme y

entonces el metal se corroe a la misma velocidad en toda su superficie,

o bien, puede ser localizada, en cuyo caso solamente resultan afectadas

áreas pequeñas.

b. Mecanismo de corrosión.- Este comprende las reacciones químicas que

son la oxidación de los metales que es un proceso natural e irreversible

y las electroquímicas que es el flujo de electrones entre metales por

diferencia de fuerza o potencial electromotriz.

c. Naturaleza de la substancia corrosiva.- La corrosión puede ser

clasificada como húmeda o seca, para la primera se requiere un líquido

o humedad mientras que para la segunda las reacciones se desarrollan

con gases a altas temperaturas.

2.1.4.2 CAUSAS DE CORROSIÓN

2.1.4.2.1 CELDA DE CORROSIÓN DIFERENCIAL

Para que el proceso de corrosión se active, se requiere la existencia de

un circuito eléctrico el cual está formado por 4 elementos, Figura 2.2.

El sitio donde el metal se oxida se conoce como el ánodo o sitio

anódico. En este sitio, la corriente eléctrica directa (definida como un

flujo positivo de carga) los flujos de la superficie metálica en el

electrolito como los iones metálicos dejan la superficie.

Este flujo de corriente en el electrolito al sitio donde el oxígeno, el

agua, o alguna otra especie son reducidos. Este sitio es conocido como

el cátodo o el sitio catódico.

15

Figura 2.2 – Esquema mostrando una celda de corrosión diferencial

Fuente: Engineering Encyclopedia. Saudi Aramco Desktop Standards,

Chapter Corrosion, File reference COE-101.04


Los cuatro componentes indispensables de una celda de corrosión

diferencial que son:

1. Ánodo

2. Cátodo

3. Puente Metálico

4. Electrolito

1.- Ánodo: Representa la parte de la superficie metálica que resulta

corroída, ó el área donde el metal se “disuelve”. El metal al disolverse

pasa a la fase de agua en forma de ión, perdiendo electrones; la reacción

electroquímica Reacción 2.1 Oxidación.

16

La pérdida de electrones (con carga negativa) convierte al metal en un

ión con cargas positivas. La pérdida de electrones se denomina

Oxidación.

2.- Cátodo: Representa la parte de la superficie metálica que no se

disuelve. También, al igual que en el ánodo, allí se lleva acabo otra

reacción electroquímica necesaria para que el proceso de corrosión

prosiga.

Los electrones producidos en el ánodo, se trasladan a través del metal

hacía el cátodo donde son consumidos por reacción con un agente

oxidante presente en el agua:

Reacción 2.4 – Catódica

2H+ + 2e- H2

Fuente: Control de corrosión en operación de producción de petróleo,

Ing. Fausto Ramos UTE. 2010


Si otro elemento oxidante, como por ejemplo el oxígeno, está presente

en el agua, hay dos reacciones posibles:

Reacción 2.5 – Catódica en Aguas Ácidas

O2 + 4H+ + 4e- 2H2O




17

Reacción 2.6 – Catódica en Aguas Alcalinas

O2 + 2H2O + 4e- 4(OH) -




Figura 2.3 – Corrosión del Acero




En resumen la reacción química en el ánodo produce electrones y la

reacción química en el cátodo consume éstos electrones. Los electrones

viajan a través del metal, desde el ánodo al cátodo, a través de un

puente metálico que representa el tercer elemento del circuito eléctrico.

CORROSION del ACERO

PIEZA DE METALEN SECO

Fe3C

Fe

Fe3C

Fe

2H+ + 2e H2

Fe Fe++ + 2e

Flujo de electrones

ANODO

CATODO

AGUA DE MAR

ACERO AL

CARBONACERO AL

CARBON

Flujo de Corriente

e

PIEZA DE SUMERGIDA EN AGUA DE MAR

18

3.- Puente metálico: Es el puente de circulación de electrones. Los

electrones viajan del ánodo al cátodo la corriente eléctrica generada lo

hace en sentido inverso.

4.- El electrolito: Está, representado por la solución que cubre el ánodo

y cátodo ó la fase acuosa, sin la cual no podrían ejecutarse reacciones

descritas anteriormente. El agua debe ser conductiva, es decir tener una

cantidad de sales disueltas (electrolito), a mayor concentración de sales

disueltas, mayor capacidad conductiva del agua.

2.1.4.2.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL AGUA

Siendo la corrosión un proceso electroquímico, la presencia de agua es

una de las condiciones básicas para establecer un proceso de corrosión

y principalmente la composición química de ésta, y más aún, la

presencia de gases disueltos en ella, específicamente:

- Oxígeno

- Dióxido de carbono y

- Sulfuro de Hidrógeno

Dos factores son importantes cuando consideramos las características

del agua y cómo ellas afectan el proceso de corrosión.

La primera es la conductividad, ó capacidad del agua para transportar la

electricidad y que depende de la concentración de sales disueltas en

ella.

A mayor cantidad de sales disueltas, mayor capacidad para transportar

rápidamente la corriente. El otro factor importante es la concentración

19

de gases disueltos ó agentes oxidantes, los cuales son la causa principal

de corrosión en un sistema.

En los campos petroleros, los principales agentes son el oxígeno y gases

que generan acidez: Dióxido de carbono (CO2) que genera ácido

carbónico (H2CO3) y ácido sulfhídrico (H2S), que se disuelve y disocia

en el agua.

Ambos tienen la facultad de atacar directamente al acero para formar

carbonato de hierro y sulfuro de hierro.

Figura 2.4 – Corrosividad comparativa de 3 gases comunes en

Soluciones de Agua




20

Es importante indicar que para que exista un proceso de corrosión,

ambos factores deben estar involucrados. Podemos tener por ejemplo

aguas con alta concentración de sales disueltas (alta conductividad),

pero si no hay presencia de agentes oxidantes, no tendremos corrosión

en el sistema.

La situación inversa: agua no conductora (0 de conductividad), el caso

del agua pura por ejemplo, con presencia de agentes oxidantes causará

corrosión por acción directa de agente oxidante.

El efecto perjudicial de la conductividad es sólo su capacidad de

transportar iones ó corriente eléctrica acelerando el proceso de

corrosión. Aguas con baja conductividad y alta concentración de gases

disueltos generarán alta corrosión en el sistema.

2.1.4.2.3 CONCENTRACIÓN DE GASES DISUELTOS EN

FLUIDO

La influencia directa en la concentración de gases oxidantes,

especialmente el H2S y CO2 puede medirse por determinación del pH

del agua, el cual se describe en los análisis básicos del agua.

Dada la importancia operativa y económica de los problemas de

corrosión, para realizar un estudio de prevención efectivo, es necesario

cuantificar la presencia de éstos gases y conocer bien sus mecanismos

de acción.

21

2.1.4.2.3.1 OXÍGENO DISUELTO

Es el agente oxidante más agresivo, ya que puede causar gran

corrosión a concentraciones muy bajas: < 1.0 ppm.

Si cualquiera ó ambos de los otros dos agentes CO2 y H2S están

presentes, el oxígeno aumentará su grado de agresividad.

El oxígeno acelera la corrosión en toda circunstancia debido a su alto

poder oxidante (gran potencial electroquímico) y capacidad para

combinarse fácilmente con los electrones liberados en el cátodo.

El grado de corrosión dependerá sólo de la velocidad de difusión del

oxígeno hacía el cátodo. El mecanismo de acción es Reacción 2.1 y

Reacción 2.6

Los productos de la reacción conllevan a la formación de hidróxido de

hierro [Fe(OH)3], el cual al acumularse en la superficie del metal,

forma una barrera que puede frenar el proceso de corrosión (Efecto de

pasivación).

Sin embargo si existe alta concentración de cloruros en el agua, (aguas

de alta salinidad ó conductividad), el hierro se re-disuelve como

cloruro de hierro (FeCl3) y la velocidad de corrosión aumentará.

22

Figura 2.5 – Efecto del Oxígeno




El oxígeno causa diferentes modalidades ó tipos de corrosión. La

forma típica de corrosión por oxígeno, es la picadura, con presencia

de óxido ó hidróxido de Fe. También se forman celdas de corrosión

por aireación diferencial, en áreas donde existen diferentes

concentraciones de oxígeno, en ese caso, el área de menor

concentración se transforma en un ánodo. Los ejemplos más típicos

son la corrosión por estancamiento, interfases aire-agua y formación

de tubérculos.

EFECTO DEL OXÍGENO

Fe Fe++ + 2e- (reacción anódica)

H+ + 2e- 2H0 H2 (reacción catódica)

2 H0 + 1/2O2 H2O

EN LA REACCIEN LA REACCIÓÓN ANODICAN ANODICA

EL OXÍGENO PRECIPITA AL FE++ EN EL ÁNODO PREVINIENDO LA POLARIZACIÓN

ANÓDICA, INCREMENTANDO LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN.

EN LA REACCIEN LA REACCIÓÓN CATN CATÓÓDICADICA

2H+ + 2E- 2H0 (ETAPA RÁPIDA)

2H0 H2 (ETAPA LENTA)

EL H2 GASEOSO CUBRE Y POLARIZA EL ELECTRODO CATÓDICO, RETARDANDO LA

REACCIÓN DE CORROSIÓN.

2H0 + 1/2 O2 H20

CON EL O2 PRESENTE, EL H2 NUNCA SE FORMA, EL CÁTODO NO SE POLARIZA Y LA

VELOCIDAD DE CORROSIÓN PERMANECE ALTA.

23

La presencia de oxígeno no es natural en campos de producción. Los

pozos petroleros no producen oxígeno. El oxígeno se introduce

mayormente en el equipo de superficie: tanques abiertos, sellos de

bombas en mal estado y sistemas que trabajan al vacío.

Figura 2.6 – Corrosión por O2, Corrosión por CO2 acelerada por

O2




2.1.4.2.3.2 DIÓXIDO DE CARBONO DISUELTO

Éste es probablemente el agente oxidante más común en la producción

petrolera y se encuentra presente en casi todas las áreas conocidas por

que es parte del proceso de formación del petróleo en los reservorios.

CORROSIÓN POR O2

CARACTERIZADA POR PITS DE AMPLIA

BASE, DE BORDES MODERADOS Y

FONDOS CONTENIENDO DEPOSITOS

DE Fe2O3

CORROSIÓN POR CO2

ACELERADA POR O2

LA MORFOLOGIA ES UN PROMEDIO DE

AMBOS TIPOS DE ATAQUE PERO LA

PROFUNDIZACIÓN DEL PIT ES MUCHO

MÁS RÁPIDA Y CATASTRÓFICA

24

El Dióxido de Carbono se disuelve en el agua para formar el ácido

carbónico, que reduce el pH del agua y aumenta la corrosión por

ataque directo a las superficies metálicas de los equipos.

El mecanismo de acción es el siguiente:

Reacción 2.7 – Dióxido de Carbono disuelto en Agua para formar

Ácido Carbónico

CO2 + H2O H2CO3




Reacción 2.8 – Ácido Carbónico con el Hierro

Fe + H2CO3 Fe2CO3 + H2




El tipo de corrosión causada por el ácido carbónico es de tipo picadura

localizada y se conoce como corrosión dulce.

Los principales factores que gobiernan la corrosión por CO2 son la

presión, temperatura y composición química del agua Figura 2.7

25

Figura 2.7 – Corrosión por CO2




En términos generales, a mayor presión del sistema, mayor cantidad

de CO2 disuelto y consecuentemente mayor corrosión (menor pH en el

agua).

A mayor temperatura se reduce la solubilidad del CO2 disuelto, por

consiguiente menor corrosión (mayor pH en el agua). Figura 2.8

CORROSICORROSIÓÓN POR CON POR CO22

CARACTERIZADA POR PITS INTERCONECTADOS, CON PAREDES

ESCARPADAS Y BORDES ASERRADOS. FONDOS REDONDEADOS CON

PRESENCIA DE PRECIPITADO BLANCO, GRIS Ó NEGRO QUE REACCIONA

CON HCl Y SIN OLOR

26

Figura 2.8 – Guía general de predicción de Corrosión por CO2




Finalmente la presencia de una mayor cantidad de sales en el agua,

puede atenuar la reducción del pH, pero también aumentar el grado de

conductividad iónica. Ello depende del tipo de componentes en el

agua.

La presión parcial del CO2 se puede utilizar para predecir el grado de

corrosividad de un determinado sistema.

Para ello necesitamos conocer la concentración de CO2 en el gas y la

presión total a la cual se encuentra un sistema determinado. Ecuación

2.1

GUIA GENERAL DE PREDICCION DE

CORROSION POR CO2

PRESION PARCIAL DE CO2 CORROSION

SOBRE 30 PSIG ALTA POSIBILIDAD DE OCURRENCIA

3 A 30 PSIG BAJA POSIBILIDAD DE OCURRENCIA

NO OCURRE CORROSIONMENOS DE 3 PSI

27

Ecuación 2.1 – Presión Parcial

Presión Parcial = Presión Total * fracción molar de CO2 en el gas




En la Figura 2.9 puede apreciarse el efecto de la presión parcial sobre el

pH, ó acidez del agua producida. Este aspecto es importante en el

estudio de problemas de control de corrosión é incrustaciones.

Figura 2.9 – Efecto de la Presión parcial del CO2 sobre el pH




EFECTO DE LA PRESIÓN PARCIAL DEL CO2 SOBRE EL pH

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

4

4.1

4.2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

PRESIÓN PARCIAL DE CO2, psig

pH

60 F 78 F 105 F

(EN AGUA CONDENSADA)

28

2.1.4.2.3.3 ÁCIDO SULFHÍDRICO DISUELTO

El H2S es un gas que se encuentra en áreas determinadas, pero en

mayor ó menor concentración, se disuelve fácilmente en el agua, en

condiciones normales y actúa como un ácido débil.

La corrosión causada por el H2S es del tipo de picadura localizada y

se conoce generalmente como corrosión agria, cuando la

concentración del gas es mayor de 10 ppm. Cuando es menor de 5

ppm se denomina dulce.

Cuando en un sistema existen los dos gases: H2S y CO2, la corrosión

es más intensa y si se suma a esto la presencia de oxígeno, la

velocidad de corrosión aumenta a niveles dramáticos. El H2S también

puede generarse por actividad microbiológica, específicamente por

una bacteria denominada sulfato-reductora y que actúa convirtiendo el

ión sulfato (SO4), presente en aguas producidas, en ácido sulfhídrico.

Es importante determinar siempre el origen de la presencia de este gas

a fin de optar por el tratamiento más adecuado: control biológico ó

control de corrosión por otros métodos. El mecanismo de la corrosión

por ácido sulfhídrico es complejo pasando por diferentes estados de

oxidación hasta la reacción final.

Reacción 2.9 – Sulfuro de hierro producto de la corrosión por H2S

H2S + Fe + H2O FeS + H2




29

El sulfuro de hierro (FeS), producto de la corrosión por éste gas es un

polvo fino de color negro que se adhiere a la superficie metálica como

una capa fina.

El problema es que el FeS es catódico con respecto al acero, lo cual

produce una corrosión muy localizada en la forma de una picadura

muy profunda Figura 2.10

Otros problemas generados por la presencia de H2S, son el

ampollamiento por hidrógeno y la fractura del metal.

Figura 2.10 – Corrosión por H2S




CORROSICORROSIÓÓN POR HN POR H22SS

PRESENCIA DE PITS REDONDEADOS Y PEQUEÑOS, AISLADOS Y SEPARADOS UNOS DE OTROS

DE FONDOS REDONDEADOS Y PAREDES LISAS. GENERALMNENTE PRESENTAS FISURAS POR

ESFUERZO EN EL FONDO Y PRESENCIA DE PRECIPITADO NEGRO DE FeS QUE REACCIONA

CON HCL CON OLOR A HUEVOS PODRIDOS

30

2.1.4.2.4 METALURGIA DEL ACERO

La naturaleza de los materiales que utilizamos en tuberías de pipetrack

en RLL, están fabricadas generalmente por acero al carbón. El acero es

una aleación de hierro y pequeñas cantidades de Carbón (0.08 a 1.0 %),

que le dan más tenacidad y resistencia. En la aleación del acero existen

dos materiales: hierro puro y granos de carburo de hierro (Fe3C), este

último distribuido en forma de granos finos.

El Carburo de hierro (Fe3C), tiene menos tendencia a corroerse que el

hierro puro que en ésta condición se convierte en ánodo si el sistema

está en contacto con un electrolito (agua de producción), formándose,

en consecuencia muchísimas celdas de corrosión generalizada.

Este tipo de diferencias en la composición química y características de

los materiales se presentan también en el caso de las soldaduras donde

el calor impreso ha cambiado la estructura cristalina del metal y por ello

presenta potencial diferente. Esto se observa también en el hiero

fundido.

Los metales son en esencia materiales no homogéneos y existen

diferencias de potencial que promueven el inicio de la corrosión en

éstos materiales.

El tratamiento térmico del acero tiene muchas variaciones que dan

origen a cambios en la micro estructura del acero.

2.1.4.3 VARIABLES FÍSICAS

31

2.1.4.3.1 TEMPERATURA

Como regla general, las reacciones químicas incrementan su velocidad

cuando la temperatura es mayor. Lo mismo es aplicable a la corrosión

en sistemas cerrados, como los sistemas de producción. Se ha

establecido una regla práctica indicando que cada 10 °C de aumento de

la temperatura, la velocidad de corrosión se incrementa el doble.

En sistemas abiertos: tanques, recipientes, la corrosión tiende a

aumentar en un momento y luego si la temperatura sigue aumentando,

la corrosión comienza a disminuir por que los gases disueltos, causantes

directos de la corrosión, comienzan a ser expulsados de la fase agua.

2.1.4.3.2 PRESIÓN

La presión influye también en la intensidad de la corrosión. A mayor

presión, mayor cantidad de gases (CO2, H2S, O2) disueltos presentes y

por lo tanto mayor velocidad de corrosión.

2.1.4.3.3 VELOCIDAD

La velocidad juega un papel decisivo en los niveles de corrosión en un

sistema. A mayores velocidades, mayor velocidad de corrosión. Uno de

los efectos más comunes es que a mayor velocidad de flujo se tiende a

perder ó arrastrar la película de inhibidor formada en la superficie

metálica.

32

Si el fluido además arrastra sólidos en suspensión ó burbujas de gas ó

aire, el efecto es mayor por la fricción ejercida por las partículas sólidas

contra la superficie metálica (Corrosión por erosión) y golpe de las

burbujas contra la superficie metálica (corrosión por cavitación),

respectivamente.

En algunos casos cuando la velocidad es baja, la velocidad de corrosión

disminuye, pero aumenta la tendencia a una forma de corrosión

conocida por picadura.

Sucede que a velocidades bajas de flujo, y generalmente en sistemas

que tienen alta concentración biológica, se forman películas de materia

orgánica y debajo de ellas se asientan colonias bacterianas que generan

ácidos, los cuales causa corrosión localizada.

2.1.4.3.4 ESFUERZOS DE TENSIÓN

La acción conjunta de un esfuerzo de tensión y un medio ambiente

corrosivo, dará como resultado en algunos casos, la fractura de una

aleación metálica. Las fracturas pueden seguir caminos inter cristalinos

o transcristalinos que a menudo presentan una tendencia a la

ramificación.

Los esfuerzos que causan las fracturas provienen de trabajos en frío,

soldadura, tratamiento térmicos, o bien, pueden ser aplicados en forma

externa durante la operación del equipo.

33

2.1.4.4 TIPOS DE CORROSIÓN

En la industria petrolera, la corrosión se divide principalmente en

corrosión uniforme, aquella en que el desgaste del metal es más ó menos

parejo (uniforme) y la corrosión localizada, donde se aprecia desgaste más

intenso en unas zonas, incluyendo aún perforaciones que atraviesan toda

la pared del metal, cuando al costado aparentemente no se observa un

desgaste.

Otras formas de corrosión no solo implican desgaste de ciertas zonas de la

superficie metálica sino que van más allá, es decir hacía la misma

estructura del metal causando fatiga y fisura ó fractura de la estructura

metálica.

A continuación se describen los tipos de corrosión y su representación

gráfica en la Figura 2.11:

- Celdas de Concentración

- Corrosión Bi-metálica o Galvánica

- Corrosión-Erosión

1. Corrosión Localizada - Corrosión - Cavitación

- Corrosión Intergranular

- Fallas causadas por hidrógeno

- Corrosión por Fatiga

2. Corrosión Uniforme

34

Figura 2.11 – Las 8 Formas de Corrosión

Fuente: Control de corrosión en operación de producción de petróleo, Ing.

Fausto Ramos UTE. 2010


35

2.1.4.4.1 CORROSIÓN LOCALIZADA

El proceso de corrosión se concentra en áreas específicas con intensidad

varias veces mayor a la que sucede en el resto de la superficie y los

huecos resultantes pueden ser estrechos y profundos (hasta llegar a la

perforación de la pared metálica misma) o más extendidos y

superficiales. Dentro de ésta forma de corrosión se conocen algunas

variaciones típicas:

2.1.4.4.1.1 CELDAS DE CONCENTRACIÓN

Es un tipo de corrosión que se origina por diferencias localizadas en

el metal ó en el electrolito en contacto con el metal. Diferencias en la

composición del electrolito (puede ser por agua), generalmente se

clasifican como celdas de concentración.

Ejemplos:

Corrosión por estancamiento.- Es un tipo de corrosión por picadura

que se desarrolla en hendiduras y rendijas, por estancamiento de flujo

y diferencia en la concentración del gas oxidante presente.

Éste gas se consume más rápidamente en la hendidura, dejando un

diferencial de concentración que inicia el flujo de electrones hacía la

zona con menos concentración del gas.

Es muy típica de sistemas oxigenados con problemas de diseño.

36

Tubérculos de Oxígeno.- Es un tipo de picadura con el mismo

principio anterior. Es influenciado por la formación de una capa

porosa de óxido ó hidróxido de hierro que cubre parcialmente la

superficie metálica y crea una diferencia de concentración de oxígeno

entre la zona adyacente al depósito de óxido y la zona situada debajo

del depósito.

Celdas de aireación diferencial.- Es una forma de picadura que se

origina por la diferencias de aireación en zonas que tienen contacto

con el oxígeno atmosférico.

Corrosión bajo depósitos.- Es una forma de picadura que se origina

por la depositación de incrustamientos, óxidos productos de corrosión

y lodos de tipo poroso sobre áreas determinadas de la superficie

metálica, propiciando diferencias en la concentración de gases

disueltos.

Normalmente se produce en el fondo de tuberías y tanques. También

es una variación de la tuberculación por oxígeno.

2.1.4.4.1.2 CORROSIÓN POR UNIÓN BI-METÁLICA Ó

CORROSIÓN GALVÁNICA

Es el tipo de corrosión que se produce cuando dos metales de diferente

potencial son colocados unidos entre sí dentro de un electrolito que

contiene un agente oxidante la Tabla 2.1 muestra la corrosión galvánica

entre los metales.

37

Tabla 2.1 – Corrosión Galvánica entre metales




El más reactivo ó menos noble se corroe rápidamente mientras que el

más noble permanece inalterable. Este efecto es más notable cuando el

área del metal menos noble, es menor que el área del metal más noble,

38

en este caso el metal menos noble se corroe a una velocidad

proporcional a la diferencia de áreas.

Un ejemplo beneficioso, de éste tipo de corrosión es la protección

catódica utilizando ánodos de sacrificio, a base de zinc que se colocan

aciertos intervalos en un sistema de tuberías de acero al carbón

haciendo que en éste caso en material menos noble (zinc) se corroa

mientras que la estructura que queremos proteger se mantiene

inalterable. Cada cierto tiempo obviamente, tendremos que reemplazar

los ánodos desgastados de zinc.

Ejemplo:

HAZ (Corrosión por Zona Térmicamente Afectada).- Este tipo de

corrosión se aprecia en las zonas de soldadura de una tubería. Durante

la soldadura de dos tuberías, y por efecto del arco térmico, las zonas

adyacentes pueden ser afectadas por la temperatura que cambia la

micro estructura del metal; la cual es diferente de la micro estructura

de zonas más alejadas del área de soldadura y por lo tanto se crean dos

metales con diferentes potenciales. En ésta situación, generalmente el

metal adyacente a la soldadura se vuelve menos noble (ánodo) y se

corroe a mayor velocidad.

2.1.4.4.1.3 CORROSIÓN - EROSIÓN

Es el tipo de corrosión originado por alta velocidad ó turbulencia de

un fluido que contiene también agentes oxidantes ó corrosivos quienes

actúan alternativamente, destruyendo las capas protectoras sobre la

superficie metálica y causando inmediatamente corrosión al metal

expuesto.

39

En aceros al carbón, donde se tiende a formar una capa protectora de

carbonato de hierro, el metal se ve atacado cuando dicha capa es

destruida por efecto de velocidad y turbulencia.

2.1.4.4.1.4 CORROSIÓN - CAVITACIÓN

Es el tipo de corrosión causado por la formación y colapso posterior

de burbujas de vapor, debido a cambios rápidos en la presión de un

sistema. Los impulsores de bombas centrífugas son más susceptibles a

éste tipo de corrosión. Figura 2.12

Figura 2.12 – Corrosión - Cavitación

Fuente: EINPSA, Curso de Facilidades de Producción de Petróleo,



40

2.1.4.4.1.5 CORROSIÓN INTERGRANULAR

Es aquella que se realiza en las periferias de los diferentes granos ó

núcleos que componen el metal.

Muchas veces se confunde con la corrosión por fractura por estrés la

misma que ocurre sólo cuando el metal está sometido a determinadas

tensiones.

En la mayoría de los casos, la corrosión intergranular ocurre por

imperfecciones en el refinado de las aleaciones por las cuales se

producen precipitaciones en las fronteras de los granos que hacen que

dichas fronteras se vuelvan más susceptibles a la corrosión que los

mismos granos.

Los aceros inoxidables son los más susceptibles a éste tipo de

corrosión. Debido a ciertas fallas en el tratamiento térmico de éstos

aceros, el carburo de cromo precipita en las fronteras haciéndolo

susceptible a este tipo de corrosión. Cuando ello sucede se dice que el

acero inoxidable está “sensibilizado”.

La corrección a este problema radica en la ejecución de un tratamiento

térmico adecuado, reducir la concentración de carbono (debajo de

0.03 %) y agregar ó alear con otros metales (niobio).

2.1.4.4.1.6 FALLAS CAUSADAS POR HIDRÓGENO

El átomo de hidrógeno (H), es muy pequeño y tiene una gran

capacidad para difundirse a través de las paredes metálicas y

aprovechar cualquier espacio (ejemplo laminaciones) para acumularse

allí. A continuación el átomo de hidrógeno se convierte en molécula

41

(H2), la cual ocupa un mayor espacio. Con el tiempo la presión

ejercida por las moléculas genera la formación de cavernas de mayor

tamaño las mismas que producen un hinchamiento en el área y la

posterior falla del metal.

Cuando ello sucede en aceros de baja resistencia, se le denomina

ampollamiento y es un problema muy común en campos donde existe

mucho H2S, puesto que éste gas produce hidrógeno como producto de

su reacción con el acero. Puede causar rupturas y fugas en las tuberías

atacadas.

Cuando el hidrógeno entra en aceros de alta resistencia da lugar a otro

tipo de falla denominada fragilización. Cuando el metal llega a éste

estado de fragilización, falla en forma espontánea a niveles de

resistencia muy por debajo de su resistencia normal de trabajo.

La limitación de éste fenómeno a los aceros de alta resistencia se debe

al hecho de que sólo en éstos materiales el nivel de tensión es lo

suficiente alto como para iniciar el mecanismo descrito.

Las fallas por fragilización por hidrógeno no ocurren inmediatamente

después de la aplicación de un esfuerzo mayor ó la exposición al

hidrógeno atómico, sino que toman un tiempo determinado hasta que

se produce la falla catastrófica. Durante éste período previo, el

hidrógeno se difunde hacía los lugares de mayor tensión y se acumula

allí.

En campos donde existen ambientes húmedos y con presencia de H2S,

se produce otro tipo de falla por hidrógeno denominado fractura por

esfuerzo al sulfuro. El mecanismo exacto de éste tipo de falla no está

muy bien definido y por ésa razón se le denomina de varias formas,

42

sin embargo se ha aceptado que para que éste tipo de falla se

produzca, deben darse las siguientes condiciones:

- Debe haber presencia de H2S

- Debe haber presencia de agua, inclusive trazas de ella

- Debe estar involucrado un acero de alta resistencia

- El acero debe estar sometido a un esfuerzo de tensión.

Cuando existen éstas condiciones, la fractura por esfuerzo al sulfuro

puede ocurrir después de un determinado tiempo, horas, días ó años de

servicio.

La susceptibilidad del material a fallar por éste mecanismo, está

determinado por las siguientes variables:

- Resistencia ó dureza del acero.- Aceros con resistencias menores de

90,000 psi son poco susceptibles a fallar. Estos niveles sin embargo

pueden variar según aleaciones con otros metales y tratamiento

térmico aplicado al acero.

- Nivel de Tensión.- A mayor nivel de esfuerzo, menor el tiempo de

falla.

- Concentración de H2S

- PH del agua.- La susceptibilidad a la fractura se incrementa cuando

el pH es más bajo.

- Temperatura.- La susceptibilidad a la fractura disminuye a

temperaturas superiores a 160 ºF (71.1 ºC).

43

Finalmente está el caso de falla por hidrógeno a altas temperaturas,

causada por la reacción del hidrógeno a estas temperaturas con el

metal al carbón formando metano (CH4), el cual ocupa un volumen

mayor causando fracturas y cavernas dentro de la micro-estructura del

metal.

2.1.4.4.1.7 CORROSIÓN CAUSADA POR FATIGA

Es el tipo de corrosión que ocurre cuando un metal es sometido a

esfuerzos cíclicos ó repetitivos y falla en forma de fragilización al

realizar esfuerzos por debajo del esfuerzo normal de trabajo.

Hay sin embargo en algunos metales como los aceros, un valor de

esfuerzo por debajo del cual no se producirá falla en un metal que está

siendo sometido a esfuerzos cíclicos ó repetidos.

Ese valor de esfuerzo se denomina el Límite de Endurancia.y

generalmente es más bajo que el esfuerzo de trabajo. La perfomance

de los metales sujetos a esfuerzos cíclicos es determinada evaluando el

esfuerzo al cual se produce la falla versus el número de ciclos antes de

producirse la falla.

Para el caso de aceros al carbón, el Límite de Endurancia

generalmente es entre 40 y 60 % de su esfuerzo de tensión y depende

de la micro-estructura y tratamiento térmico del acero.

Las fracturas debido a fatiga del metal, siempre comienzan a

producirse en la superficie: rayaduras, inclusiones ó porosidades que

actúan como elevadores del nivel de esfuerzo.

44

Los tratamientos térmicos pueden de-carburizar un área de la

superficie metálica y tener el mismo efecto.

El límite a la fatiga de un metal es seriamente afectado cuando el

metal se estresa cíclicamente en un ambiente corrosivo. La ocurrencia

simultánea de esfuerzos repetidos y un medio corrosivo se denomina

Corrosión-Fatiga.

La característica crítica a reconocer en una situación de corrosión

fatiga es que el metal ya no exhibe su Límite de Endurancia Original.

La corrosividad del medio ambiente es también de mucha

importancia.

La presencia de O2, CO2 y H2S afecta seriamente la resistencia del

metal a la fatiga, por cuanto su acción origina picadura en las

superficies del metal.

La corrosión tiene tres posibles influencias en la Corrosión-Fatiga:

1.- Crea asperezas en la superficie metálica promoviendo la formación

lugares para inicio de fracturas.

2.- La corrosión puede actuar dentro de una fractura ya iniciada.

3.- La corrosión puede generar hidrógeno atómico por reacción

catódica y el mismo, al difundirse en la estructura del acero

produce fracturas y fragilización del metal.

45

2.1.4.4.2 CORROSIÓN UNIFORME

Se caracteriza por ataque corrosivo de manera uniforme sobre toda la

superficie o una gran parte de la superficie total. El adelgazamiento

general del metal se lleva a cabo hasta que exista una ruptura.

Sobre la base del tonelaje perdido, esta es la más importante forma de

corrosión. Sin embargo, la corrosión uniforme es relativamente fácil de

medir y predecir. El cambio de apariencia de una superficie brillante o

pulida, decoloración del acero son ejemplos de corrosión uniforme

Figura 2.13.

Figura 2.13 – Corrosión Uniforme

Fuente: The 8 Forms of Corrosion, Transferring Expert Knowledge

Migas, Indonesia


46

La corrosión de la superficie puede indicar una ruptura de la capa

protectora, sin embargo deben ser examinados de cerca.

Haciendo el material más grueso de lo necesario para confrontar la

corrosión en toda la vida útil del producto, o la aplicación de una capa

en la superficie, tales como pintura, son los métodos estándar de

prevención para este tipo de la corrosión.

CAPÍTULO III

47

CAPÍTULO III

3. PRINCIPIOS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN

CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA

El sistema de protección catódica con corriente impresa se llevó a cabo

aproximadamente cien años después que el de ánodos galvánicos.

En este sistema de protección catódica se utiliza la corriente suministrada por una

fuente continua para imprimir la corriente necesaria para la protección de una

estructura.

Para que exista la corrosión electroquímica o húmeda, es fundamental que se ponga

en funcionamiento una pila galvánica que denota la existencia de un ánodo, un

cátodo y un electrolito.

En el momento en que uno de estos tres elementos básicos para el funcionamiento de

una pila falle, ésta dejará de funcionar y por tanto se detendrá la corrosión.

Los sistemas de protección contra la corrosión están basados en la eliminación de

alguno de estos elementos o en hacerlos inoperantes.

El procedimiento que elimina todos los ánodos de la superficie metálica haciéndola

toda catódica, se conoce con el nombre de protección catódica.

Para volver catódica una superficie metálica se puede seguir el procedimiento de

corriente impresa, Conectando el metal a proteger al polo negativo de una fuente de

alimentación de corriente continua, pura o rectificada, y el polo positivo a un

48

electrodo auxiliar que puede estar constituido por chatarra de hierro, ferro-silicio,

plomo-plata, grafito, etc. Figura 3.1

Figura. 3.1 - Diagrama de Protección Catódica

Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila / Joan

Genescá


Desde el punto de vista de la termodinámica, la protección catódica se basa en la

existencia de un potencial y de una zona de inmunidad, en el correspondiente

diagrama de estabilidad termodinámica o diagrama potencial - pH, más conocido

como diagrama de Pourbaix.

Si consideramos este diagrama para el caso del hierro (acero) Figura 3.2, se puede

observar en él que están perfectamente delimitadas las zonas de corrosión,

inmunidad y pasividad. Para poder pasar el hierro a la zona de inmunidad hay que

rebajar su potencial a un valor de 0.62 V con respecto al electrodo de referencia de

hidrógeno, que equivale a -0.80 V con respecto al Ag/AgCl. Esta será, pues, otra

definición de la protección catódica.

49

La densidad de corriente que será necesario aplicar para conseguir rebajar el

potencial de la estructura a proteger (0.80 V) al valor señalado. Éste será un dato de

gran valor ya que influirá directamente en la economía del sistema.

Figura 3.2 - Diagrama de estabilidad termodinámica o diagrama potencial - pH,

más conocido como diagrama de Pourbaix para el Hierro


Genescá


50

Desde un punto de vista cinético, en un sistema cualquiera en el cual tenga lugar el

fenómeno de corrosión, existe un balance perfecto entre las reacciones anódicas y

catódicas sobre la superficie del metal.

En un diagrama de Evans se ejemplifica lo anterior en la Figura 3.3 (a) que representa

un diagrama que relaciona la densidad de corriente con el potencial.

Por razones de simplicidad en la construcción gráfica, se acostumbran representar

ambos procesos, anódico o de oxidación y catódico o de reducción, en un mismo

cuadrante con lo que se obtiene, como se indica en la Figura 3.3 (b) el diagrama de

Evans, o el de Evans-Tafel si en lugar de utilizar la corriente se emplea el logaritmo

de la corriente Figura 3.3 (c).

Polarizando la superficie del metal que se corroe a un valor igual o inferior a Ea de la

Figura 3.3 (c) se anula la reacción anódica en el metal, siendo Ipc la corriente catódica

que tendrá que ser suministrada por el sistema de protección catódica.

Figura 3.3 (a, b, c) - Diagrama de Evans

51


Genescá


Cuando la cinética de los dos procesos, anódico y catódico, es tal que una pequeña

variación en la corriente catódica provoca una gran variación en la corriente anódica

(o sea en la corriente de corrosión), se dice que el sistema está bajo control catódico.

Inversamente, cuando una pequeña variación en la corriente anódica produce un gran

desequilibrio en el proceso catódico, o sea, en la intensidad de corrosión, se dice que

el sistema está bajo control anódico. En la Figura 3.4 se representan ambos casos.

Figura 3.4 - Sistema bajo control: (a) anódico, (b) catódico

52


Genescá


Es completamente indispensable la existencia del electrolito (medio agresivo) que

completa el conjunto para que se realice el proceso electrolítico.

Este sistema de protección catódica tiene la característica de que utiliza como ánodo

dispersor de la corriente (electrodo auxiliar) materiales metálicos que en mayor o

menor grado se consumen con el paso de la corriente.

Sin embargo, el intercambio necesario de corriente con el electrolito tiene lugar a

través de reacciones electroquímicas, las cuales dependen tanto del material anódico,

como del ambiente que rodea al mismo e incluso de la densidad de corriente que éste

suministra.

Por ejemplo, en el caso de un ánodo de chatarra de hierro o de acero al carbono, la

reacción electródica es la de disolución del hierro Reacción 2.1 por tanto, el ánodo se

consume con el tiempo.

53

3.1 COMPONENTES DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA

POR CORRIENTE IMPRESA

Los componentes de un sistema de protección catódica con corriente impresa son

Ánodo dispersor, Fuente de corriente continua y Cable portador de la corriente.

En la Figura 3.5 se presenta un esquema de la protección de una tubería enterrada

en el suelo.

Figura 3.5 - Esquema de protección catódica con corriente impresa de una

tubería enterrada.

Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila /

Joan Genescá


54

3.1.1 FUENTES DE CORRIENTE

El sistema de corriente impresa requiere de una fuente de corriente continua,

no importa de dónde provenga, a condición de que se mantenga pese al paso

del tiempo.

Un sistema de corriente impresa debe de poder funcionar de forma

permanente al menos durante diez años.

3.1.1.1 RECTIFICADORES

Los aparatos que permiten el paso de la corriente en un solo sentido se

conocen con el nombre de rectificadores. Estos aparatos se alimentan con

corriente alterna.

Si se trata de un rectificador monofásico Figura 3.6, estará constituido por

un transformador monofásico T, alimentado en el primario a 110 o 220 V

(tensión de la red de distribución).

La tensión de salida puede ajustarse según las necesidades. Un puente

monofásico reductor P, compuesto por 4 diodos o grupos de diodos de

selenio o silicio.

Este puente reduce las dos alternancias de la corriente monofásica. El

selenio es más barato, pero también es más frágil que el silicio. Figura 3.6.

55

Figura 3.6 - Esquema de un Transforrectificador Monofásico

Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier

Ávila / Joan Genescá


3.1.1.2 VOLTÍMETRO

Permite controlar la tensión de salida y un amperímetro la intensidad

total. La tensión de salida puede ser regulada con ayuda de regletas o por

medio de un "variac", el cual permite una regulación continua desde el 0

al valor máximo.

Cuando se necesitan intensidades altas de corriente es más económico

utilizar rectificadores alimentados con corriente trifásica de 380 V.

56

3.1.1.3 DÍNAMO CON MOTOR TÉRMICO

Permite la protección catódica en donde no existe posibilidad de

suministrar energía eléctrica, como en el caso de los desiertos o zonas

selváticas.

El motor térmico puede estar alimentado, ya sea directamente a partir de

la conducción que se desea proteger, ya sea por un depósito que se llena

periódicamente.

3.1.2 ÁNODOS AUXILIARES

Todos los ánodos van consumiéndose a mayor o menor velocidad con el paso

de la corriente.

Así, por ejemplo, la chatarra de hierro se consume muy rápidamente y el

titanio platinado a un ritmo muy lento. A continuación se describen

brevemente cada uno de estos electrodos:

3.1.2.1 CHATARRA DE HIERRO

Por ser lo más económico, la chatarra de hierro es utilizada con

frecuencia como ánodo auxiliar.

Dentro de los perfiles es el carril viejo el más utilizado y, dentro de las

fundiciones, la tubería.

57

Puede ser aconsejable la utilización de este tipo de ánodos en terrenos de

resistividad elevada, y es recomendable también que se le rodee de un

relleno artificial constituido por carbón de coque (con un diámetro medio

de partícula de 10 mm).

El consumo medio de los lechos constituidos por perfiles de acero viene

a ser de 5 kg/A-año y de 8-10 kg/A-año para la tubería de fundición.

3.1.2.2 FERROSILICIO

El ánodo de ferrosilicio es recomendable en terrenos de media y baja

resistividad. Se coloca hincado o tumbado, en el suelo, y normalmente

rodeado de un relleno de carbón de coque.

A intensidades bajas de corrientes (1 A), su vida es prácticamente

ilimitada, y su capacidad máxima de salida de corriente es de unos 12 a

15 A por ánodo. Su consumo oscila, a intensidades de corriente altas,

entre 0.1 a 0.3 kg/A-año.

Sus dimensiones más normales corresponden a 1 500 mm de longitud, 75

mm de diámetro, y su peso aproximado es de 27 kg. El ferrosilicio es

muy frágil en virtud de su estructura cristalina, por lo que se ha de tener

un extremo cuidado en su embalaje y transporte.

3.1.2.3 GRAFITO

El grafito puede utilizarse principalmente en terrenos de resistividad

media, con un relleno de grafito o de carbón de coque.

58

Este ánodo es frágil, por lo que su transporte y embalaje debe ser

cuidadoso. Sus dimensiones varían: su longitud oscila entre 1 000 y 2

000 mm y su diámetro entre 60 y 100 mm. Son más ligeros de peso que

los de ferrosilicio.

La salida máxima de corriente que tienen estos ánodos es de 3 a 4 A por

ánodo y su desgaste varía entre 0.5 y 1 kg/A-año.

3.1.2.4 TITANIO PLATINADO

Es un ánodo especialmente indicado para instalaciones en agua de mar,

aunque también es perfectamente utilizable en aguas dulces o incluso en

suelos. Su característica más relevante es que con pequeños voltajes (12

V) se pueden sacar intensidades elevadas de corriente, y además, su

desgaste es apenas perceptible.

En el agua de mar tiene, sin embargo, algunas limitaciones con respecto a

la tensión a la que se puede aplicar, la cual nunca puede pasar de 12 V,

ya que las tensiones más elevadas podrían ocasionar que se despegara la

capa de óxido de titanio y que, por tanto, se deteriorara el ánodo.

En aguas dulces que no tengan cloruros estos ánodos pueden actuar a

tensiones de 40-50 V. La salida máxima de corriente puede ser de 3 000

A/m2, y su desgaste en las condiciones más adversas es de 0.01 g/A-año.

Su forma es diversa: pueden estar hechos en forma de una barra maciza,

de tubo, chapa, alambre, etc. El platinado puede ser continuo o a

intervalos, según las necesidades, y los espesores de platino pueden ser

de 2.5 y 5 micras.

59

La vida de los ánodos con 2.5 micras de espesor de platino se estima en

10 años aproximadamente y los de 5 micras duran entre 20 y 25 años.

Su resistencia mecánica es pequeña, y por simple abrasión, como en los

casos de buques que naveguen por zonas que tengan arena, puede

suceder que el platino desaparezca y quede el ánodo pasivado

instantáneamente, y resulte, por tanto, inservible.

Es éste un caso extremo, que no suele suceder, pero al menos se tiene que

saber que esto puede pasar.

3.1.2.5 TÁNTALO PLATINADO

Es semejante al anterior, aunque tiene sobre aquél la ventaja de que en

agua de mar puede trabajar a tensiones altas (50-60 V); sin embargo, su

adquisición es menos fácil y su precio es más elevado.

Dado que en agua de mar y a voltajes bajos se emplean grandes

intensidades de corriente, el uso de este ánodo, en general, no se justifica

del todo.

3.1.2.6 PLOMO - PLATA

La aleación está constituida por 1% de plata y una pequeña cantidad de

antimonio. El peróxido de plomo que se forma al actuar anódicamente

(tiene el color del cacao) posee unas propiedades mucho más elevadas en

60

virtud de los elementos de aleación que se traducen en un mejor

funcionamiento y duración del electrodo.

Se utiliza más frecuentemente en agua de mar, en donde la corriente

máxima de salida no pueda ser superior a 270 A/m2. Se desgasta entre 50

y 200 g/A-año.

Estos ánodos deben presentar una superficie plana, con lo cual se evitan

en lo posible las aristas, pues en estas zonas la capa de peróxido de

plomo se forma mal o no se forma, por lo que en estos puntos se puede

presentar una corrosión fuerte.

3.1.2.7 TITANIO-ÓXIDO DE TITANIO Y ÓXIDO DE RUTENIO

Desarrollados en Estados Unidos en 1968, están constituidos por una

combinación de óxidos de titanio y de rutenio, que se adhieren a un

soporte de titanio, mientras se controla el proceso a alta temperatura (700

°C).

Como resultado se obtiene una estructura cristalina y dura que presenta

una superficie extremadamente rugosa, lo que aminora los problemas de

resistencia y facilita el proceso electroquímico.

Su máxima capacidad de corriente (1100 A/m2) lo coloca a la altura de

los ánodos de titanio platinado, y su costo es, aproximadamente, 20%

menor.

61

3.1.3 PROPIEDADES DE LOS ÁNODOS AUXILIARES

Como se ha visto, los diversos tipos de materiales que se utilizan como

ánodos para los sistemas de protección catódica con corriente impresa se

escogen básicamente en función de sus prestaciones necesarias y del medio

en que serán colocados.

En general, un ánodo apto debe poseer las siguientes propiedades:

a) Bajo consumo,

b) Densidad de corriente erogada elevada,

c) Pequeñas dimensiones,

d) Baja resistividad,

e) Buena resistencia mecánica, y

f) Elevado potencial de ruptura.

Los ánodos que se utilizan en la corriente impresa pueden dividirse, en cuanto

a su consumo, en:

a) Ánodos solubles,

b) Semi-inertes, e

c) inertes.

Actualmente se prefieren los inertes ya que, pese a que su costo es más alto,

tienen las mejores características. En el suelo se usa principalmente la

aleación Fe-Cr-Si, y en agua de mar se tiende a utilizar ánodos inertes del tipo

Ti/Pt o Ti/RuO2 (ánodos dimensionalmente estables, DSA).

62

En la Tabla 3.1 se resumen las propiedades principales de los ánodos utilizados

en la corriente impresa, clasificados según su consumo y el medio en el que

puede utilizarse.

En el suelo o terreno se usa principalmente la aleación Fe-Cr-Si, mientras que

en el agua de mar se tiende a utilizar ánodos inertes del tipo Ti/Pt o Ti/RuO2

(ánodos dimensionalmente estables, DSA).

La elección de un ánodo no se hace solamente en base a su consumo o a la

densidad de corriente que puede proporcionar; hay que tener en cuenta,

además, sus propiedades de resistencia mecánica, su resistencia a la erosión

(como en el caso de que sean utilizados en agua de mar, y sobre todo

sumergidos en las inmediaciones del mar o en el fondo marino).

También su facilidad de instalación, el tiempo de sustitución e incluso su

disponibilidad en el mercado.

En el terreno, los ánodos pueden ser instalados en un lecho de bentonita o

polvo de coque, lo cual crea un medio homogéneo, húmedo y de baja

resistividad alrededor del ánodo.

Con lo que se aumenta su diámetro aparente y las dimensiones efectivas del

ánodo, y se disminuye de esta forma la resistencia ánodo-suelo, se evitan los

problemas de corrosión localizada que pueden romper el ánodo y reducir el

consumo del material anódico.

63

Tabla 3.1 - Características de los ánodos empleados en protección

catódica con corriente impresa clasificados según su consumo y el medio

a utilizarse




64

3.1.4 CÁLCULO DE LA PROTECCIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LOS

ÁNODOS

El cálculo de un sistema de protección catódica con corriente impresa es

relativamente más sencillo que el de ánodos galvánicos. De hecho, no es

necesario optimizar las dimensiones y peso de los ánodos para garantizar por

un lado el suministro de la corriente necesaria para la protección, y por el otro

la duración de los ánodos elegidos.

Una vez establecida la corriente total de protección, se elige el tipo de ánodo

con base en los criterios examinados anteriormente y teniendo en cuenta la

densidad de corriente máxima que puede suministrar cada ánodo, se

determina su número por exceso con respecto al teórico, para así poder

obtener un mayor grado de confiabilidad.

Todavía deberá tenerse en cuenta, para lograr una protección lo más

económica posible, la optimización del número y dimensiones de los ánodos,

en relación con la mayor o menor resistencia total que se determine, lo que se

reflejará en la potencia del generador o fuente de corriente continua y en su

costo de instalación.

Para la protección de estructuras ya existentes en agua de mar (por ejemplo la

protección de estructuras viejas, protegidas inicialmente con ánodos de

sacrificio) la elección de pocos pero potentes ánodos remotos, o al revés, de

muchos pequeños distribuidos sobre toda la estructura, puede llevar a grandes

diferencias en el costo de instalación, todo ello ligado al elevado costo de la

instalación submarina de los ánodos.

La elección de instalar pocos ánodos resulta sin duda más económica, pero en

este caso es necesario tener presente que si se instalan pocos ánodos el

65

sistema pierde confiabilidad, pues si uno de los ánodos queda fuera de

servicio, esto significará una pérdida de protección que puede oscilar entre 50

y 100%, lo cual no sucede cuando se colocan muchos ánodos pequeños

distribuidos en toda la estructura.

En la ubicación de los ánodos o del lecho anódico es muy importante conocer

la posición de posibles estructuras que pudieran estar presentes en las

vecindades, con objeto de evitar fenómenos de interferencia que puedan

provocar ataques graves de corrosión.

Por ejemplo, si se debe proteger una tubería que cruza a otra, disponiendo los

ánodos como se indica en la Figura 3.7, se interfiere la tubería extraña. Ésta, de

hecho, representa el "camino" preferible (de menor resistencia) para la

corriente suministrada por los ánodos.

Aquella zona de la tubería extraña que recibe la corriente queda protegida

catódicamente, mientras que en aquella de las cual sale la corriente, hay

corrosión.

Como la mayoría de la tuberías enterradas, está además protegida con algún

tipo de recubrimiento aislante, la corriente está relacionada con algún defecto

del recubrimiento, por lo cual la densidad de corriente local puede resultar

muy elevada y por ahí producir un ataque particularmente severo.

La protección de la tubería con corriente impresa se consigue conectándola al

polo negativo de una fuente de alimentación de corriente continua.

El polo positivo (ánodo) está constituido generalmente por grafito, aleaciones

de plomo o aleación de hierro - silicio.

66

Figura 3.7 - Ejemplo de interferencia provocada por una tubería extraña

situada en la proximidad de una tubería protegida catódicamente




La corriente que sale del ánodo llega a la tubería que se trata de proteger

según el esquema de la Figura 3.8

Normalmente las tuberías, además de la protección catódica, llevan un

sistema de protección a base de sustancias bituminosas de 3 a 6 mm de

espesor, lo que les proporciona un buen aislamiento.

También se utilizan mucho para este fin las bandas adhesivas de cloruro de

polivinilo (PVC).

67

Figura 3.8 - Sentido de la corriente de un sistema de protección catódica

con corriente impresa de una tubería.

.




En la Tabla 3.2 se dan algunos valores para la protección de una tubería en

función de la resistencia del revestimiento y del diámetro del conducto.

Para que el reparto de corriente sea bueno los ánodos deben estar lo más lejos

posible del conducto; se recomienda una distancia mínima de 50 metros.

68

Tabla 3.2 - Densidad de corriente necesaria (en mA/km), para la

protección de una tubería enterrada en función de la resistencia del

revestimiento y del diámetro del conducto




En determinados casos o cuando se crea oportuno, los ánodos pueden ir en un

lecho de bentonita o polvo de coque; esto crea un medio homogéneo, húmedo

y de baja resistividad alrededor del ánodo, con lo que aumenta su diámetro

aparente.

Como ya se ha señalado, el potencial al que hay que llevar la tubería es de -

0.85 V con respecto al electrodo de referencia de Cu/CuSO4 saturado.

3.1.5 - BACKFILL O ACTIVADOR

En aplicaciones enterradas, los ánodos de corriente impresa llevan casi

siempre un lecho de bentonita o polvo de coque que permite retener el agua

en función de ésta propiedad deben ejercer tres funciones principales:

1. Reducir la resistencia de contacto ánodo-suelo.

69

2. Estabilizar el potencial del ánodo, evitar la polarización y asegurar una

fuente segura de corriente.

3. Mejorar el rendimiento, disminuyendo la corrosión espontánea y

consiguiendo un ataque del ánodo uniforme.

Numerosos productos químicos han sido utilizados en la composición del

"activador o backfill", como por ejemplo la arcilla ordinaria, la bentonita, el

sulfato de calcio, la cal, el hidróxido de sodio, el dicromato de sodio, el

cloruro de sodio, el sulfato de sodio, el de magnesio, polvo de coque, etc.

Los activadores a veces están constituidos por un solo compuesto, pero lo

más frecuente es que sean mezclas binarias o ternarias. Entre los productos

citados, el yeso y la bentonita son los de uso más corriente, ya que permiten

preparar activadores muy eficaces, potencialmente en virtud de su

característica de retener el agua.

El empleo de la mezcla formada por arcilla y yeso para los ánodos de Zn

permite obtener un rendimiento elevado. En la práctica, las mezclas de yeso y

arcilla se realizan en las siguientes proporciones:

1.- Arcilla 50 % - Yeso 50 %

2.- Arcilla 25% - Yeso 75 %

El relleno utilizado en trabajos de Petroecuador es coque o carbón con las

siguientes características 4:


la protección catódica de un tramo del poliducto Quito – Ambato en el sector Pichalata Km.108,


70

Características Químicas del backfill:

- Volátiles 0,1%

- Ceniza menor al 3,3%

- Silicio menor a 1400 ppm

- Hierro menor a 1000 ppm

- Azufre menor al 3%

- Carbón mayor 90%

Características Físicas del backfill:

- Densidad volumétrica mayor 110 kg/m3

- Porosidad específica menor 45%

- Gravedad específica 2.0

- Tamaño de partícula 100% menor 10mm; 90% mayor 0.5mm

Características Eléctricas del backfill:

- Resistividad: sin compactar a 25 ohm-cm; compactado menor 10 ohm-cm

3.1.6 - RESISTIVIDAD DEL SUELO

Para determinar si puede utilizarse la protección catódica para prevenir la

corrosión de una estructura enterrada, se debe conocer, la resistividad del suelo

o terreno.

Las áreas de menor resistividad son las que tienden a crear zonas anódicas en la

estructura, pero así mismo son las zonas más aptas para instalación de las camas

de ánodos.

71

La unidad de resistividad del suelo es el ohm-centímetro (Ω-cm).

3.1.6.1 - DETERMINACIÓN DE RESISTIVIDAD POR EL MÉTODO

DE LOS CUATRO ELECTRODOS

En la práctica se requiere medir la resistividad de grandes extensiones y a

menudo, a una cierta profundidad.

Para ello se utiliza el método de Wenner, más conocido como método de los

4 electrodos. El circuito básico se presenta en la Figura 3.9

Figura 3.9 - Medición de la resistividad del suelo por el método de

Wenner o de los cuatro electrodos. La distancia (b) o sea la profundidad

a la que está enterrada el electrodo (barra de cobre o acero) debe ser

pequeña comparada con la distancia (a) entre los electrodos.




72

La medida que se obtiene es un valor promedio a una profundidad

aproximadamente igual que el espaciado entre los electrodos.

Es costumbre efectuar las mediciones de resistividad con un espaciado entre

electrodos previamente establecido. Así, con espaciados de 5 pies 2 1/2

pulgadas, 10 pies 5 pulgadas y 20 pies 10 pulgadas.

Se entierran cuatro varillas de cobre equiespaciadas, y se conectan las dos

externas (C1 y C2 en la Figura 3.9) a las terminales de la fuente de corriente,

y las dos internas (P1 y P2 de la misma Figura) a un medidor potencial

(voltímetro).

Nótese que se mide la resistencia entre las dos varillas internas o electrodos

de potencial; las dos varillas externas sirven para introducir corriente en el

suelo.

El valor obtenido corresponde a la resistividad promedio a una profundidad

aproximadamente igual al espaciado entre los electrodos. La presencia de

estructuras metálicas enterradas puede alterar los resultados de la medición.

En este caso se aconseja realizar el alineamiento de los cuatro electrodos

perpendicularmente a la estructura enterrada. Figura 3.10

En la práctica se realiza esta medida empleando un voltímetro y un

amperímetro o bien instrumentos especiales como el detallado

anteriormente.

73

Figura 3.10 - Disposición correcta de los cuatro electrodos para la

medida de la resistividad en presencia de una tubería enterrada




Cuando se ejecuta en el campo, el método consiste en introducir en el suelo

4 electrodos separados por espaciamientos iguales, los espaciamientos

representan la profundidad hasta lo que se desea conocer la resistividad este

espaciamiento se lo representa con (d). Ecuación 3.1

Ecuación 3.1 Cálculo de la Resistividad

Donde:

RS = resistividad

aresistencidRS 2

74

π = 3.1416

d = profundidad a la que se desea conocer la resistencia




En la Tabla 3.3 se registran valores de Resistividad (ohm-cm) y se los

caracteriza de acuerdo medio al cual se exponen

- Muy corrosivo

- Corrosivo

- Moderadamente corrosivo

- Medio corrosivo

- Menos corrosivo

Tabla 3.3 – Valores de Resistividad y Caracterización de acuerdo al

medio al que se expone

Fuente: Tesis Guillermo, “Aplicación y procedimiento de la instalación de

un lecho anódico para la protección catódica de un tramo del poliducto

Quito – Ambato en el sector de Pichilata Km. 108, Petrocomercial” UTE


Resistividad (ohm-cm) Características del medio

< 900 Muy corrosivo

900 a 2300 Corrosivo

2300 a 5000 Moderadamente corrosivo

5000 a 10000 Medio corrosivo

> 10000 Menos corrosivo

75

3.2 VENTAJAS Y LIMITACIONES DEL MÉTODO DE PROTECCIÓN

CATÓDICA CON CORRIENTE IMPRESA

Esencialmente, se puede decir que este método es más conveniente que el de los

ánodos de sacrificio, cuando se tratan de proteger estructuras muy grandes o con

una gran demanda de corriente y cuando la resistividad del ambiente es elevada,

como en el caso de los suelos.

3.2.1 VENTAJAS DEL MÉTODO DE PROTECCIÓN CATÓDICA

CON CORRIENTE IMPRESA

1. Puede diseñarse para un amplio intervalo de potencial y corriente.

2. Un ánodo o lecho anódico puede suministrar una gran corriente.

3. Con una sola instalación se pueden proteger superficies muy grandes.

4. Potencial y corriente variables

5. Se puede utilizar en ambientes de resistividad elevada.

6. Eficaz para proteger estructuras no recubiertas o mal recubiertas.

3.2.2 LIMITACIONES DEL MÉTODO DE PROTECCIÓN

CATÓDICA CON CORRIENTE IMPRESA

1. Puede causar problemas de interferencia

2. Está sujeto a ruptura de la fuente de corriente.

3. Requiere de una inspección periódica y mantenimiento.

4. Requiere de una fuente de corriente continua.

5. Posibilidad de condiciones de sobreprotección con daños a los

recubrimientos y problemas de fragilización por la acción del hidrógeno.

6. Conexiones con cables sujetos a rupturas.

7. Tiene un costo elevado.

Una gran ventaja de este método es su posibilidad de proteger una gran

superficie con un solo ánodo. Por otra parte, tanto la diferencia de potencial

76

como la corriente suministrada son variables y de aquí se desprende que el

sistema presenta una gran flexibilidad operacional.

Este tipo de sistemas debe ser proyectado con cuidado para no causar

problemas de corrientes erráticas (parásitas), las cuales pueden provocar la

corrosión de estructuras vecinas.

3.3 CONDICIONES DE PROTECCIÓN CATÓDICA. CRITERIOS DE

POTENCIAL Y REQUERIMIENTOS DE CORRIENTE

3.3.1 CRITERIO PARA LA ELECCIÓN DEL POTENCIAL DE

PROTECCIÓN

Este criterio se refiere a la aplicación de la protección catódica para eliminar

o reducir, dentro de límites aceptables, la corrosión generalizada de una

determinada estructura.

3.3.1.1 CRITERIO BASADO EN CONSIDERACIONES

TERMODINÁMICAS

Termodinámicamente se podría escoger el valor del potencial de equilibrio

de la reacción de corrosión como potencial de protección, en cuanto que

limita de una manera superior el intervalo de potencial en el cual el metal no

puede corroerse Éste criterio no es utilizado por dos motivos principales:

1. Si se toma el potencial de protección como potencial de equilibrio de la

reacción de disolución del metal, esto implica necesariamente conocer la

composición química de la solución en contacto con la superficie

metálica bajo las condiciones de protección catódica.

77

Dicha composición química es variable y depende de las condiciones

ambientales, estado de la superficie, etc., por lo que es muy difícil

precisarla.

2. Al menos en el caso en que el ambiente no contenga prácticamente iones

del metal que se corroe, o que su contenido sea muy bajo (lo que es un

caso normal en la práctica de la protección catódica de estructuras

metálicas enterradas en el suelo o sumergidas en agua de mar), el

potencial de equilibrio toma valores muy negativos y tiende a infinito en

concentraciones cercanas al valor cero.

Se necesita recordar que la relación entre el potencial de equilibrio de un

metal que se corroe y la concentración de sus iones está fijada por la ley de

Nernst es:

Ecuación 3.2 Ecuación de Nernst

Donde:

E = potencial de electrodo observado

Eº = potencial redox estándar a pH = 7.0, T = 298 °K

0.059/ n = RT/nF

R = constante de los gases, 8.31 J/°mol.

T = temperatura absoluta en °K.

n = número de e- transferidos.

F = constante de Faraday, 23,062 cal/V ó 96,406 J/V.)

E = E° + 0.059/n log [Me n +

]

78

Si T = 298 °K, el término 2.303(RT / nF) tiene el valor de 0.059 mV/década

cuando n = 1 y, 0.03 cuando n = 2

Me = metal




Reacción 3.1 – Disolución del hierro (acero)

Fe Fe 2+

+ 2 e-




En la ecuación de Nernst Ecuación 3.2, sustituyendo E° = - 0.44 V y n = 2, se

obtiene que:

E = - 0.44 + 0.059/2 log [Fe2+]

El profesor Marcel Pourbaix ha abordado el problema del potencial de

protección, y le ha dado una solución basada en consideraciones

termodinámicas.

Ha propuesto considerar "inmune" a la corrosión a un metal que se

encuentre a potenciales más negativos que el que correspondería al valor de

su potencial de equilibrio en una solución que contuviera sus iones a una

concentración l0- 6

moles/litro.

79

Así, aplicando la ecuación de Nernst Ecuación 3.2, se tendría, para [Fe2+] =

l0 -6

:

Eprotección = -0.44 + 0.059/2 log 10 -6

= -0.62 V

El potencial de protección resulta ser entonces de -0.62 V respecto al

electrodo de referencia de hidrógeno.

En la Figura 3.2 se presentó el correspondiente diagrama potencial pH

(diagrama de Pourbaix) para el sistema Fe-agua, en el cual se delimita la

zona de inmunidad y corrosión con el valor del potencial calculado allí.

En los términos propuestos por Pourbaix, aplicando una corriente se impone

al metal que se quiere proteger el potencial que corresponda a una

concentración mínima de iones metálicos en la solución.

La concentración límite adoptada es de l0 -6

moles/litro.

Habrá corrosión si la concentración de los iones metálicos en el electrolito

es igual o mayor que l0 -6

moles/litro.

Esto permite calcular, basándose en la ecuación de Nernst, el potencial de

protección, el cual, sin embargo, es función del pH del electrolito.

La información puede obtenerse del correspondiente diagrama potencial -

pH del metal en cuestión Tabla 3.4.

80

Tabla 3.4 - Potencial de protección expresados en voltios a diferentes

pH de algunos metales, obtenido a partir de los correspondientes

diagramas de potencial -pH a 25°C




3.3.1.2 OTROS CRITERIOS

Generalmente, para la definición del potencial de protección no se utilizan

criterios que supongan la condición de "inmunidad" del material, sino otros

en los cuales se puede decir que está "casi inmune", y que correspondería a

una velocidad de corrosión suficientemente pequeña y por tanto aceptable

en la práctica.

El potencial de protección podría definirse entonces como aquel al cual la

velocidad de corrosión debe mantenerse lo suficientemente baja, esto es,

menor a un límite fijado.

81

Por ejemplo, si se pone como límite para el acero en solución acuosa una

velocidad de corrosión de 12 micras/año (m/año), el potencial de

protección a 25 y 50°C resulta ser, respectivamente, de -750 y -850 mV,

contra Cu/CuSO4 (saturada).

Hay casos en que puede resultar oportuno imponer una disminución del

potencial mayor de la que es estrictamente necesaria para reducir la

velocidad de corrosión, por debajo del límite aceptable desde el punto de

vista técnico.

Por ejemplo, para una estructura desnuda sumergida en agua de mar, una

disminución de 150 a 200 mV respecto al potencial de corrosión libre lleva

a reducciones de la velocidad de corrosión de al menos dos órdenes de

magnitud y a un grado de protección aceptable, al menos en la mayoría de

aplicaciones.

Por tanto, en este ambiente debería de aconsejarse un potencial de

protección comprendido entre -700 y -750 mV y no uno de -800 mV (vs.

Ag/AgCI), como se hace generalmente.

En efecto, se observa que polarizando la estructura a -700 mV, el aumento

en el pH que se produce en el cátodo como consecuencia de la reducción del

oxígeno, no es suficiente para lograr la precipitación de las capas de

carbonato y de hidróxido.

En cambio, a -800 mV se obtiene este depósito, lo que provoca una

disminución de la corriente límite de difusión del oxígeno y por tanto de la

corriente de protección, la cual, a -800 mV, resulta muy inferior a la

necesaria para mantener la estructura a un potencial de -700 mV Figura 3.11

82

Figura 3.11 - Densidad de la corriente de protección con diferentes

potenciales




En ciertas condiciones ambientales en las cuales la formación de depósitos

calcáreos puede resultar obstaculizada (por ejemplo, por una fuerte acción

abrasiva o en presencia de soluciones de salmuera poco incrustantes) puede

resultar necesario operar con potenciales del orden de -900 mV para obtener

los depósitos calcáreos y con ellos el efecto benéfico consecuente.

3.3.1.3 ALGUNOS CRITERIOS UTILIZADOS EN LA PRÁCTICA

El potencial de protección puede definirse como aquel en el cual cualquier

aumento del grado de protección implica poco costo, ligado directa o

indirectamente al aumento de la corriente necesaria, con la ventaja que se

deriva de la consecuente disminución de la velocidad de corrosión.

83

En la gran mayoría de los casos (por ejemplo en la protección catódica en

suelos, agua de mar, etc.) los criterios que tienen aplicación son aquellos

que están basados en la experiencia práctica.

El Código de Práctica inglés de la British Standard Institution ("Code of

Practice for Cathodic Protection" [C.P. 1021] agosto de 1973) recomienda,

para diferentes materiales, los potenciales de protección que se presentan la

Tabla 3.5

Tabla 3.5 - Potencial de protección adoptado generalmente en suelo y

agua de mar




El valor normalmente indicado para la protección de estructuras de acero

enterradas nuevas y bien protegidas con algún tipo de recubrimiento es

aquel que lleva a un potencial inferior a los -850 mV vs. Cu/CuSO4 (criterio

84

de los -850 mV) y a -900 mV en el caso de un suelo que contenga bacterias

sulfato-reductoras (o sea, más agresivo).

Un criterio análogo se emplea para proteger el acero en agua de mar; se

toma como protegida una estructura cuando se encuentra a un potencial de -

800 mV respecto del electrodo de referencia de Ag/AgCI, que es el más

usado en agua de mar. Si el acero está en contacto con el lodo del fondo

marino y en condiciones en las cuales pueden desarrollarse bacterias

sulfato-reductoras, el potencial de protección se aumenta a -900 mV vs.

Ag/AgCI.

La experiencia muestra, sin embargo, que no siempre se utilizan criterios de

este tipo. Por ejemplo, si una estructura enterrada no está protegida con un

buen recubrimiento (una estructura vieja por ejemplo) o sencillamente no

está protegida por algún recubrimiento, no es conveniente, especialmente en

terrenos muy aireados, aplicar el criterio de los -850 mV vs. Cu/CuSO4,

porque la corriente necesaria para alcanzar este potencial puede resultar

muy elevada.

En este caso, por ejemplo, se prefiere recurrir al criterio conocido como

"desplazamiento del potencial", el cual consiste en disminuir 300 mV el

potencial de la estructura con respecto al potencial de corrosión libre.

3.4 MEDIDA DEL POTENCIAL

En la determinación del potencial de la estructura; a proteger se puede incurrir en

algunos errores, ligados sobre todo a una mala situación del electrodo de

referencia, los cuales sólo pueden conocerse o eliminarse si se conoce la magnitud

del potencial que se mide.

85

El potencial de una estructura, respecto al electrodo de referencia colocado en su

vecindad, es la suma de tres contribuciones esencialmente:

1. Una contribución de tipo termodinámico que depende del electrodo de

referencia utilizado. Esta contribución interesa sólo en cuanto que fija la

diferencia al potencial cero en la escala convencional que toma como potencial

cero el del electrodo de hidrógeno. Para estructura enterrada, el electrodo más

utilizado como referencia es Cu/CuSO4. El cero de potencial respecto a este

electrodo se encuentra cerca de 300 mV por encima del cero en la escala del de

hidrógeno Figura 3.12

Figura 3.12 - Equivalencia aproximada entre las escalas de potencial

relativas a los electrodos de referencia utilizados en protección catódica.

86


Joan Genescá


2. Una contribución, debida esencialmente al sobrepotencial de activación y de

concentración de la reacción que se produce en la interfase superficie

metálica/electrolito. Este sobrepotencial está ligado a la naturaleza del proceso

electródico, a su velocidad, etcétera.

3. Un término de caída óhmica que depende de la posición en la cual se sitúa el

electrodo de referencia respecto de la estructura, de la geometría del sistema,

de su conductividad, de la corriente que circula (en virtud de la protección

catódica o de corrientes parásitas), etcétera.

87

En la práctica, el modo más empleado para determinar directamente, sobre una

estructura en servicio, la contribución de la caída óhmica, consiste en

"interrumpir" o en variar la corriente (en este segundo caso, sólo en sistemas con

corriente impresa) con la cual se está polarizando la estructura que se desea

proteger, a partir de lo cual se registrará la consiguiente variación de potencial.

La variación instantánea del potencial, en el momento de abrir el circuito,

corresponde a la contribución de la caída óhmica. Los tipos de electrodos de

referencia más empleados en la práctica de la protección catódica, el de

Ag/AgCl/agua de mar, Zn/agua de mar y Cu/CuSO4 (saturado).

3.4.1 MEDIDA DEL POTENCIAL EN ESTRUCTURAS

ENTERRADAS

Cuando se trata de medir el potencial de una tubería enterrada, se toma el

electrodo de Cu/CuSO4 (saturado) como referencia y un milivoltímetro de

resistencia interna elevada (mayor de 100 000 ohms).

El polo positivo del aparato se une al electrodo de referencia y el negativo a la

tubería. El valor que marque el aparato será el potencial de disolución del

metal del tubo, en función del medio agresivo, en este caso el del suelo.

La disposición y la forma de realizar esta medida se representa en la Figura

3.13.

El electrodo debe situarse justo encima de la generatriz superior de la tubería,

de forma que quede perpendicular a ella.

88

Figura 3.13 - Realización práctica de medida de potencial de una tubería

con un electrodo de referencia de Cu/CuSO4 saturado




Como ya se ha indicado, las medidas de potencial pueden verse afectadas por

la caída óhmica producida por el paso de la corriente eléctrica que genera el

proceso de protección catódica. Esta caída de voltaje puede ser desde unos

milivoltios a uno o varios centenares, según sea el proceso.

La magnitud del error depende de la forma de la estructura a proteger, de la

corriente que fluye entre ella y los ánodos, de la resistividad del medio y de la

distancia entre el electrodo de referencia y la estructura. Si la distancia y la

corriente son pequeñas, la caída de potencial puede ser despreciable.

La corriente que llega a la estructura que desea protegerse crea un campo

eléctrico de líneas equipotenciales a su alrededor Figura 3.14.

89

Según esta figura, cualquier punto de la superficie del suelo elegida para

colocar el electrodo de referencia, tendrá un potencial diferente al

inmediatamente próximo.

Figura 3.14 - Campo eléctrico alrededor de una tubería




Cada uno de estos puntos tendrá a su vez una caída de potencial que

dependerá de la resistencia del terreno entre el electrodo y la tubería. El

electrodo de referencia deberá colocarse justamente encima de la generatriz

superior del tubo.

Para asegurar una medida correcta del potencial, estas líneas equipotenciales

deben ser perpendiculares a la superficie del suelo.

90

Esto se consigue cuando la distancia entre la estructura enterrada y el ánodo

es muy grande, en comparación con la profundidad a la que dicha estructura

está enterrada Figura 3.15 (a).

Si la separación es pequeña, las líneas sufren una distorsión, por lo que dejan

de ser perpendiculares a la superficie del suelo y, por tanto, afectan mucho las

medidas Figura 3.15 (b).

Figura 3.15 - (a) La medida de potencial no se ve afectada por el campo

eléctrico. (b) la medida de potencial se ve afectada por el campo eléctrico




91

3.5 MATERIAL UTILIZADO

3.5.1 ELECTRODOS DE REFERENCIA

Los procesos que tienen lugar en la interfase metal-solución de cualquier

metal en contacto con un electrolito (medio agresivo), no se pueden medir de

una manera absoluta (tiene que ser tan sólo relativa).

El metal en contacto con el electrolito tiene, por un lado, tendencia a

disolverse, con lo que queda cargado negativamente.

Reacción 3.2 – Metal en contacto con el electrolito, tendencia a disolverse

Me Men + +

ne-




Y, por otro lado, a que iones del electrolito se depositen sobre el metal:

Reacción 3.3 – Iones del electrolito sobre el metal

Me n +

+ ne- Me




92

Con lo que se alcanza el equilibrio en un determinado momento:

Reacción 3.4 – Equilibrio del metal en contacto con el electrolito en un

determinado momento

Me Me n+ + ne-




Se ha creado, pues, una diferencia de potencial entre el metal y el electrolito.

Para poder medir esta diferencia de potencial se adoptó un electrodo patrón

que es el electrodo normal de hidrógeno, al cual, por convención y a cualquier

temperatura, se le asignó el valor cero.

Este electrodo está constituido por una lámina de platino-platinado, sobre la

cual se hace burbujear hidrógeno gas a la presión de una atmósfera,

sumergida en una solución ácida (electrolito), cuya actividad de iones

hidrógeno a 25°C es la unidad, de acuerdo con la reacción de equilibrio.

En las condiciones mencionadas, el potencial de éste electrodo es únicamente

función del pH, según la siguiente expresión:

Ecuación 3.3 – Potencial en función del pH

Donde:

E = potencial de electrodo

E = 0.059 pH

93

pH = potencial de hidrógeno




Tomando como referencia el electrodo de hidrógeno, el potencial de un metal

cualquiera sumergido en una solución de sus iones de actividad igual a la

unidad, corresponde a la fuerza electromotriz de una pila, en la cual el

semielemento metal/solución de sus iones actúa como polo positivo, o sea de

cátodo, y el electrodo de H2 como polo negativo, o ánodo, según la

convención propuesta por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada

(IUPAC), universalmente aceptada. Esto se puede representar de una manera

esquemática como:

-Pt, H2 (1 atm) / H+ (aH + = 1) // Me

n+ / Me +

Donde una barra indica la presencia de una interfase y la doble barra significa

la presencia de una unión electrolítica o puente salino entre ambos

semielementos de la pila.

En la convención propuesta, el polo negativo o ánodo se coloca en el lado

izquierdo de la pila, en la forma en que tiene lugar la reacción de oxidación:

Reacción 3.5 – Oxidación de la representación esquemática

H2 2H+ + 2e-




94

Los electrones generados en esta reacción pasarán al otro electrodo, positivo

o cátodo, a través de un conductor metálico externo, de cobre por ejemplo,

donde los iones Me n +

serán reducidos. La reacción global del proceso será la

siguiente:

Reacción 3.6 – Transferencia de electrones entre electrodos

H2 + Me n +

2H+ + Me




El potencial de la pila propuesta se puede determinar a partir de:

Ecuación 3.4 – Potencial de la pila propuesta

Donde:

Ep = Potencial de pila

Ec = Potencial del cátodo

Ea = Potencial del ánodo




Ep = Ec- Ea

95

Basándose en lo anterior, se pueden presentar dos casos:

a) E pila > 0

b) E pila < 0

El primer caso supone, dado que el electrodo de H2, por convenio, se toma

con un potencial de 0 voltios, que necesariamente el semielemento que actúa

como polo positivo debe de tener un potencial de reducción positivo.

Está desplazada hacia la derecha. Un voltímetro que uniera los dos

semielementos que constituyen la pila debería conectarse de tal manera que el

polo (-) se uniera al electrodo de hidrógeno y el polo (+) al del metal.

Es decir, el polo (+), de mayor potencial siempre (cátodo), se une a ese

mismo polo del voltímetro y el polo (-), de menor potencial (ánodo), se une al

negativo del voltímetro.

En estas condiciones, la diferencia de potencial medida, correspondiente a la

pila formada, sería numéricamente igual al potencial de reducción del

semielemento derecho de la pila, Me n+/Me. Si se construyen pilas de estas

características, se podrían determinar los potenciales de reducción de todos

aquellos semielementos cuyo potencial es positivo o mayor que 0 (el del

hidrógeno).

En el segundo caso, al ser el potencial de la pila menor que cero (negativo),

esto implica necesariamente que el flujo de electrones irá en sentido

contrario.

Es decir, que la producción de electrones se deberá a la oxidación

(disolución) del metal del semielemento de la derecha; lo cual implica que la

96

reacción está desplazada hacia la derecha, favorecida energéticamente. Estos

electrones suministrados serán tomados por el otro semielemento

Todos aquellos semielementos que unidos a un electrodo normal de

hidrógeno den un potencial de pila negativo, con la convención propuesta,

tendrán un potencial de reducción más negativo que el del hidrógeno, o sea

menor que 0. De esta forma se construye la serie electroquímica de los

metales, representada en la Tabla 3.6

Es común que se trabaje con potenciales de oxidación, por lo que serán los

mismos en valor absoluto, pero con el signo cambiado.

Por ejemplo, el oro (Au) tiene un potencial de reducción alto y positivo

porque es fuerte su tendencia a aparecer en su estado reducido;

consecuentemente, su tendencia a la oxidación es pequeña y su potencial de

oxidación es alto en valores absolutos, pero negativo.

Las dificultades operativas que se presentan en el manejo de un electrodo de

hidrógeno, demasiado frágil para la mayoría de las aplicaciones prácticas, han

dado lugar a la utilización de otros electrodos de referencia que lógicamente

deben de reunir determinadas condiciones.

Aparte de ser manejables y de construcción sencilla, la condición

fundamental es que el potencial de equilibrio de la reacción de óxido-

reducción (REDOX) que tenga lugar en ellos, permanezca constante respecto

al electrodo de hidrógeno.

En estas condiciones, en cualquier momento se podría referir un potencial al

del electrodo de hidrógeno o viceversa.

97

Tabla 3.6 Serie Electroquímica de los Metales

.




98

3.5.1.1 TIPOS DE ELECTRODOS DE REFERENCIA UTILIZADOS

EN LA INDUSTRIA

3.5.1.1.1 ELECTRODO DE CALOMELANOS

Este electrodo está formado por mercurio cubierto por una capa de

cloruro insoluble (calomelanos), Hg2Cl2 en equilibrio con una

disolución de cloruro potásico, KCl; contacto eléctrico con el mercurio

se realiza por medio de un hilo de platino.

Un esquema de este electrodo se presenta en la Figura 3.16.

Reacción 3.7 - Electrodo de Calomelanos

Hg2Cl2 + 2e- 2 Hg +2 Cl

-

Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión,

Javier Ávila / Joan Genescá


Así pues, si el electrodo actúa como ánodo (-) la reacción es hacia la

izquierda, (oxidación); si el electrodo actúa como cátodo (+), la

reacción es hacia la derecha, (reducción).

99

Figura 3 .16 - Electrodo de Referencia Calomelanos Saturado, ECS

Fuente:http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/ap/ciencias_quimicas

_y_farmaceuticas/apquim-an-instr-8/c15a.html


3.5.1.1.2 ELECTRODO DE PLATA/CLORURO DE PLATA

Está formado por un hilo de Ag sobre el cual se deposita AgCl,

generalmente por vía electroquímica, en una solución de NaCl o KCl,

en la cual el hilo de Ag actúa como ánodo, como se muestra en la Figura

3.17.

100

Reacción 3.8 - Electrodo de Plata / Cloruro de Plata

AgCl + e- Ag + Cl-




Y su potencial de equilibrio Ecuación 3.2 a 25°C es:

E = 0.2224 - 0.059 log [Cl-]

Figura 3.17 – Electrodo de Referencia de Plata / Cloruro de Plata,

(Ag/AgCl)

Fuente: http://www.monografias.com/trabajos73/metodos-potencio

metricos/metodos-potenciometricos2.shtml


101

En agua de mar, el valor del potencial es aproximadamente de + 0.25 V

respecto al electrodo normal de hidrógeno (ENH) a 25°C.

El potencial del electrodo depende muy especialmente de la salinidad

de la solución en la cual el electrodo está sumergido.

3.5.1.1.3 ELECTRODO DE ZINC

Está constituido por un bloque de Zn de alta pureza. Generalmente se

utiliza una aleación de Zn como la empleada para los ánodos galvánicos

de Zn de composición como la especificada por la norma americana:

MIL-A-18001 H. Tabla 3.7.

Reacción 3.9 - Electrodo de Zinc

Zn Zn2+ + 2e-




Y su potencial de equilibrio Ecuación 3.2 a 25°C es:

E = -0.763 + 0.0295 log [Zn2+] V vs. ENH

El potencial en agua de mar es de cerca de -0.80 V vs. ENH (Electrodo

Normal de Hidrógeno). Se emplea como electrodo de referencia fijo en

agua de mar, como alternativa a los de Ag/ AgCl. También puede

utilizarse en el suelo. Figura 3.18

102

Figura 3.18 – Electrodo de Referencia de Zinc (Zn)




Tabla 3.7 - Electrodos de Referencia (norma americana: MIL-A-

18001 H)

103




3.5.1.1.4 ELECTRODO DE COBRE/SULFATO DE COBRE

Está formado por una barra cilíndrica de Cu sumergida en una solución

de CuSO4 saturada. El contacto electrolítico con la solución o suelo se

realiza mediante un puente salino formado por un tapón de madera de

balsa. Figura 3.19.

Reacción 3.10 - Electrodo de Cobre / Sulfato de Cobre

Cu Cu2+ + 2e-




104

Su potencial de equilibrio Ecuación 3.2 a 25°C viene dado por:

E = 0.340 + 0.0295 log [Cu2+

] V vs. ENH.

Con la solución saturada de CuSO4, se tiene E = + 0.318 V vs. ENH

(Electrodo Normal de Hidrógeno), pero para uso práctico se considera

un valor de 0.30 V. Este tipo de electrodo puede utilizarse en cualquier

ambiente, sea en el suelo o agua de mar, aguas dulces o saladas.

Figura 3.19 - Electrodo de Referencia de Cobre/ Sulfato de Cobre

(Cu/CuSO4)




Entre otras ventajas, presenta la sencillez de su preparación y su gran

estabilidad. Cuando se utiliza en agua de mar, puede contaminarse con

105

cloruros, por lo cual es aconsejable más bien en el suelo, en aguas

dulces y en salmueras.

La Figura 3.12 muestra una equivalencia aproximada entre las escalas de

potencial relativas a los electrodos de referencia utilizados en

protección catódica, con indicación de los intervalos de corrosión,

protección y sobreprotección para acero al carbono.

Si bien el electrodo de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4sat.) es

prácticamente el único que se utiliza para la medición del potencial de

estructuras enterradas, en el caso de estructuras marinas (offshore) se puede

escoger entre varios:

a. El electrodo Cu/CuSO4 saturado puede utilizarse, aunque hay que

renovar frecuentemente la solución de CuSO4, pues su contaminación por

el agua de mar da como resultado una pseudo lectura.

b. El electrodo de calomelanos saturado fue utilizado en un principio,

aunque en la actualidad prácticamente no se usa en virtud de su

fragilidad.

c. La práctica más corriente consiste en utilizar el electrodo de plata/cloruro

de plata (Ag/AgCl) en agua de mar, con lo cual se evita el problema de

contaminación.

Hay que tener en cuenta con este electrodo además que el valor del

potencial leído es función de la concentración de iones cloruro del agua

de mar y por tanto de la salinidad.

La variación, de todos modos, es pequeña para las salinidades habituales.

106

d. Para aquellos casos en que se requiera que los electrodos funcionen por

lapsos largos en una posición fija, se prefiere utilizar el Zn de alta pureza.

Un inconveniente de este electrodo es una cierta variación del potencial

de un electrodo a otro, por lo cual se recomienda una calibración

periódica de los mismos con un electrodo de Ag/AgCl.

Además del electrodo de referencia y de un voltímetro de alta impedancia

de entrada, se requiere de cables eléctricos, cuyo calibre puede ser

pequeño y de una buena conexión a la masa de la estructura que se puede

lograr con pinzas o por contacto por presión, por soldadura, etc.

La utilización de voltímetros electrónicos minimiza los errores causados

por las caídas óhmicas.

3.6 DENSIDAD DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN

Pueden utilizarse diferentes métodos para la determinación de la intensidad de

protección (1p) o de la densidad de corriente de protección. La Figura 3.20

representa un método experimental de polarización, adecuado para determinar la

densidad de corriente de protección (Dp).

Aplicando una corriente eléctrica creciente se obtiene una serie de valores del

potencial del hierro o del acero en agua de mar o en cualquier otro electrolito. Si

llevamos sobre la curva de polarización obtenida para el hierro el potencial de

protección anteriormente calculado -0.61 V, se obtiene la densidad de corriente de

protección, que según la Figura 3.20 resulta ser de 86 mA/ m2.

107

Figura 3.20 - Método experimental del trazado de una curva de polarización

utilizable para el cálculo de la densidad de corriente de protección (Dp).


Joan Genescá


Este valor es máximo, porque no tiene en cuenta los procesos de polarización que

tienen lugar en función del tiempo y que dan lugar a modificaciones superficiales,

como la acumulación de iones OH, de hidrógeno, los depósitos de magnesio

calcáreos, etcétera.

108

3.6.1 VALORES PRÁCTICOS DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE

DE PROTECCIÓN

Por cualquier método que pueda ser empleado, la densidad de corriente de

protección ha sido determinada en función del estado superficial del acero,

que puede estar pintado o no o recubierto con un sistema pasivo de

protección. Algunos resultados prácticos se agrupan en la Tabla 3.8.

Tabla 3.8 - Densidad de corriente de protección en distintos medios

agresivos

109




Hay que resaltar la influencia de la velocidad del agua que habrá que tener

siempre muy en cuenta, así como la existencia de bacterias o de cualquier

otro factor susceptible de incidir directamente en la corrosión y por tanto en la

densidad de corriente para lograr la protección.

Las capas de pinturas que se aplican sobre el acero reducen la densidad de

corriente necesaria para la protección y esta reducción variará en función del

espesor y tipo de pintura. En la Tabla 3.9 se dan algunos valores indicativos.

La amplitud y diversidad de las instalaciones marinas y las características de

las aguas de los distintos mares no hacen posible que se pueda presentar con

detalle la infinidad de datos recogidos a lo largo de los años debidos a la

experiencia de investigadores e ingenieros en este campo.

110

Tabla 3.9 - Valor límite del potencial aplicado para diversos tipos de

pintura.




La densidad de corriente necesaria para la protección catódica de estructuras

enterradas, básicamente de tuberías, es un caso especial, ya que el suelo es un

medio heterogéneo donde varía mucho la velocidad de corrosión. De un suelo

natural se puede separar, fundamentalmente, arena, arcilla, cal y humus.

Estos componentes pueden estar mezclados en el suelo en diferentes

proporciones, lo que dará lugar a distintos grados de agresividad y, por tanto,

a valores distintos de la densidad de corriente para lograr la protección.

Si el oxígeno atmosférico no puede penetrar en el suelo, lo que con frecuencia

es el caso en suelos arcillosos o turbosos, pueden existir bacterias. Estos

microorganismos que se desarrollan en ausencia completa de oxígeno

(condiciones anaerobias) como el Sporovibrio desulfuricans, originan graves

problemas de corrosión al transformar los sulfatos presentes en el terreno, en

sulfuros; los síntomas de este tipo de corrosión anaerobia son: un

111

ennegrecimiento local del suelo por el sulfuro de hierro que se forma y a

veces, un olor a ácido sulfhídrico.

Un factor importante para conocer la agresividad de un suelo es el

conocimiento de su resistividad.

En la mayoría de los casos de tuberías enterradas la protección catódica se

efectúa sobre ductos ya protegidos con un recubrimiento como pintura,

alquitrán, etc.

La corriente de protección resulta ser entonces un porcentaje pequeño con

respecto a la necesaria para proteger a la estructura metálica desnuda, pues

deberá servir para proteger las partes en las que el revestimiento presenta

defectos: poros, rasguños, imperfecciones, etc. La corriente de protección

resultará más baja mientras mayor sea la eficiencia del recubrimiento.

Podemos definir la eficiencia del recubrimiento (j) como el porcentaje de la

superficie metálica efectivamente revestida o recubierta.

Por ejemplo, si se dice que un recubrimiento tiene un 90% de eficiencia,

querrá decir que hay un 10% de la superficie metálica que está descubierta, o

sea no protegida por el recubrimiento y que, por tanto, se necesitará sólo un

10% de la corriente necesaria para proteger toda la estructura desnuda;

entonces, la densidad de corriente de protección es proporcional a la fracción

de superficie descubierta o no protegida, y, en general, se puede formalizar de

la siguiente manera:

Ecuación 3.5 – Densidad de Corriente de protección de una estructura

protegida

iR = i ( 1 - j )

112

Donde:

i = la densidad de corriente de protección de la estructura desnuda

iR = la densidad de corriente de protección de la estructura recubierta.

j= la eficiencia del recubrimiento (fracción unitaria).




Naturalmente, la eficiencia de un recubrimiento puede variar con el tiempo.

Por ejemplo, para tuberías enterradas sin mantenimiento puede pasar al 95 o

al 90% después de 10 o 20 años.

El envejecimiento es aún más acelerado en estructuras que están en contacto

con el agua del mar. Obviamente, además del envejecimiento normal del

recubrimiento, contribuyen a disminuir la eficiencia notablemente los daños

mecánicos como la abrasión.

La eficiencia efectiva de recubrimientos porosos o dañados mecánicamente

puede mejorar, cuando es posible la precipitación de sales (carbonato de

calcio e hidróxido de magnesio), lo cual tiene lugar en agua de mar en las

zonas descubiertas de la estructura, en las cuales se concentra la corriente de

protección.

3.6.2 SOBREPROTECCIÓN

Se dice que una estructura o, en ocasiones, alguna parte de la misma está

sobreprotegida cuando la densidad de corriente intercambiada en su superficie

es mayor que la necesaria para una protección completa. En general, esta

113

condición sucede cuando la protección catódica se efectúa mediante el

sistema de corriente impresa.

Evidentemente la sobreprotección debe evitarse, tanto porque implica un

consumo inútil de electricidad, un mayor consumo del ánodo y

especialmente, por el daño indirecto que puede provocar: ampollamiento del

recubrimiento, degradación del mismo, desprendimiento de hidrógeno con

posibilidad de fragilización del acero.

Por ejemplo, en agua de mar, cuando en la estructura que se quiere proteger

se miden potenciales más negativos de -1150 mV vs. Cu/CuSO4 saturado, es

señal de una densidad de corriente demasiado elevada, por lo que pueden

tener lugar efectos negativos en virtud de:

1. Alcalinización excesiva

2. Desprendimiento de hidrógeno

En la superficie de la estructura protegida se obtienen valores de pH de

alrededor de 11, en virtud de que la reacción que tiene lugar en la estructura

protegida es la reducción del oxígeno.

En condiciones de sobreprotección, el pH aumenta provocando la corrosión

de aquellos metales como el Al, el Zn o el Pb y sobre todo, el ampollamiento

o degradación del recubrimiento.

La formación de ampollas en el recubrimiento se produce en especial cuando,

tiene lugar el desprendimiento de hidrógeno. De hecho, si este gas se forma

en algún defecto del recubrimiento de la superficie metálica, puede llegar a

ejercer una presión elevada y provocar el desprendimiento del recubrimiento

y la base metálica quedar desprotegida. El ampollamiento del recubrimiento

también puede ser provocado por la migración del agua hacia la superficie

metálica a través del recubrimiento, bajo la acción del campo eléctrico

(fenómeno de electroósmosis). En cualquier caso, el ampollamiento del

114

recubrimiento debe ser evitado, para lo cual se da normalmente un límite

inferior al potencial al cual debe llevarse la estructura.

En general, las pinturas pueden aplicarse con éxito aun en condiciones de

sobreprotección cuando son muy adherentes y muy resistentes químicamente

(se deben excluir por ejemplo las pinturas saponificables), además de que

deben poseer un espesor suficiente para aumentar la impermeabilidad.

Sin duda, en condiciones de protección normal, el primario inorgánico de Zn

se comporta bien y puede utilizarse por ejemplo en sistemas de protección

con ánodos de sacrificio de Zn o Al.

Por lo que se refiere a la influencia del espesor, en la Tabla 3.10 se indican los

espesores mínimos de varios tipos de pinturas que resisten a un potencial de -

900 mV vs. Ag/AgCI. Estos valores parecen muy altos en cuanto a que, en la

práctica, se utilizan sin grandes problemas espesores mucho menores.

Tabla 3.10 - Espesores mínimos para diversos esquemas de pintado

resistentes a un potencial de -900 mV vs. Ag/AgCl




CAPÍTULO IV

115

CAPÍTULO IV

4. INSTALACIÓN DEL LECHO ANÓDICO PARA LA PROTECCIÓN DE

PIPETRACK EN RLL

A continuación se presenta en la Figura 4.1 las líneas del pipetrack central de la

Refinería de La Libertad RLL que se va a proteger catódicamente por corriente impresa,

el cual lleva los productos desde tanquería de destilados hasta cabeza del muelle

Figura 4.1 – Líneas de Pipetrack de la Refinería de la Libertad RLL

Fuente: Ing. Fausto Ramos – FIGEMPA – UCE trabajo de consultoría en Riesgos en

las Refinerías de PETROINDUSTRIAL


Existen otras líneas de pipetrack dentro de la Refinería de La Libertad a las cuales se

las debe proteger más allá de la aplicación de pintura epoxica como se encuentran

actualmente Anexo 8.

116

4.1 SELECCIÓN DEL TIPO DE PROTECCIÓN

La selección de éste tipo de protección catódica por corriente impresa para una

determinada estructura (Pipetrack de la Refinería de La Libertad) depende

esencialmente de consideraciones técnicas y económicas. Se analizan las ventajas

y desventajas del sistema, su costo, su viabilidad técnica, la vida útil que se desea,

entre otros aspectos a cargo de Petroindustrial.

A continuación se muestran varios items de limitaciones y ventajas de aplicación

del método:

a) La resistividad del medio o electrolito no constituye una limitación seria para el

sistema de corriente impresa, una vez ajustada la diferencia de potencial

necesaria para proporcionar dicha corriente.

b) Este sistema es el indicado para estructuras medias y grandes.

c) El sistema necesita de un seguimiento operacional, especialmente de una

inspección periódica del equipo de impresión de corriente.

La inspección de los ánodos puede ser menos frecuente ya que están

proyectados para una vida útil de 20 años o más.

d) Es recomendable para estructuras que puedan presentar problemas de

corrientes parásitas o vagabundas, ya que permite su control.

e) El sistema de corriente impresa permite un amplio intervalo de regulación

mediante la variación del voltaje de salida de los equipos para la impresión de

la corriente, siempre y cuando se proyecte en forma adecuada.

117

f) En general, el costo inicial es mayor que el de un sistema de ánodos galvánicos,

a menos que se trate de una estructura muy grande y diseñada para una vida

útil larga.

g) Este sistema está sujeto a interrupciones en su funcionamiento como

consecuencia de fallos en el suministro de energía eléctrica y defectos en el

equipo propio para la impresión de la corriente.

h) Tiene la posibilidad de inversiones de polaridad.

4.2 CÁLCULOS DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR

CORRIENTE IMPRESA

Tabla 4.1 – Datos de Líneas de Pipetrack

Datos de Campo tomados por: Edgar Miño

Cantidad Diámetro Longitud

5 2 – 3/8” 500 m

6 2 – 7/8” 500 m

8 3 – 1/2” 500 m

5 4 – 1/2” 500 m

118

Tabla 4.2 – Datos de Ánodos (Ferrosilicio)

Datos de Campo tomados por: Edgar Miño

A continuación se presentan los cálculos de éste diseño para ´lineas de pipetrack

en la Refinería de La Libertad (RLL):

Ecuación 4.1 – Área de tubería a proteger

Donde:

AB = Área de la tubería para proteger, m2

f = Porcentaje de área desnuda, %

π = 3.1416

D = Diámetro de la tubería a proteger, m

L = Longitud de la tubería, m

Fuente: Sistema de Protecao Catodica. Instalacoes e engenharia de corrosao

LTDA, Gibson Jorge


Ánodo Ferrosilicio

Peso 27 kg

Longitud 1,500 m

Diámetro 0,075 m

Disipación 0.3 kg/A-año

DLfAB

119

Para tubería de 2 – 3/8”


f = Porcentaje de área desnuda, 95%

D = Diámetro de la tubería a proteger, 0.0564m (2,375” = 5.64cm)

L = Longitud de la tubería, 500m * 5 líneas = 2500 m

AB 2 – 3/8”= 420.81 metros cuadrados (m2)






AB 2 – 7/8” = 653.61 metros cuadrados (m2)






25000564.01416.395.0 AB

30000730.01416.395.0 AB

120








Ʃ AB (Área de la tubería para proteger, m2)

ƩAB = 420.81 + 653.61 + 1061.29 + 852.82

ƩAB = 2988.53 metros cuadrados (m2)

Ecuación 4.2 - Cálculo de la corriente necesaria o requerida para el sistema

Donde:

I = Corriente requerida en amperios

40000889.01416.395.0 AB

25001143.01416.395.0 AB

1000

IdABI

121

Id = Densidad de corriente requerida 30 mA/m2 Dato de Campo


LTDA, Gibson Jorge


I = 89.65 Amperios (A)

Ecuación 4.3- Cálculo de la masa anódica requerida

Donde:

W = Peso total de masa anódica requerida en kg.

Dr = Disipación del ánodo en 0.3 kg/A-año (FERROSILICIO)

Dl = Vida de diseño del sistema, 25 años


LTDA, Gibson Jorge


W = 672.38 Kilogramos (Kg)

1000

3053.2988 I

DlDrIW

253.065.89 W

122

Ecuación 4.4 - Cálculo del número de ánodos requeridos

Donde:

N = Número de ánodos requeridos

W = Peso total de la masa anódica requerida.

WA = Peso de cada ánodo, 27 Kg (FERROSILICIO)


LTDA, Gibson Jorge


N = 24.9 = 25 Ánodos

Ecuación 4.5 - Resistencia de un ánodo con relleno

Donde:

Rv = Resistencia de un ánodo vertical a tierra en Ω

L

d

L

Rv

18

log3,2.00159,0

WA

WN

27

38.672N

123

= Resistencia del suelo o del material de relleno en Ω (25 ohm-cm Backfill sin

compactar)

L = Longitud del ánodo: 1,500 m

d = Diámetro del ánodo: 0,075 m


LTDA, Gibson Jorge


Rv = 0,1343 ohm (sin compactar)

Ecuación 4.6 - Voltaje de Salida del Rectificador

Donde:

V = Voltaje de Salida del Rectificador, voltios

Rt = Resistencia Total del circuito, ohm

I = Intensidad de corriente requerida, 89.65 amperios


LTDA, Gibson Jorge


500.1

1)075.0(

)500.1(8log3,2).25(00159,0

Rv

IRtV

124

Ecuación 4.7 – Sumatoria de resistencias

Rt = 0.25 + 0.26 + 0.13

Rt = 0.67 ohm

Donde:

Rc = Resistencia de los cables del circuito 0,25ohm (FABRICANTE)

Re = Resistencia del contacto a tierra de la estructura a proteger 0,26 ohm

(CAMPO)

Rg = Resistencia cama anódica, Rv 0.13 ohm (CALCULADA) en el punto anterior


LTDA, Gibson Jorge


V = 60.07 Voltios

Ecuación 4.8 - Capacidad del Transformador

Donde:

C = Capacidad del transformador, en KVA

E = Eficiencia del rectificador (80%)

Rt = Rc + Re + Rg

1000..EF

VIC

65.8967.0 V

125

I = Intensidad de corriente (C.D.) del rectificador 89.65 amperios

V = Voltaje (C.D.) del rectificador 60.07 voltios

F = Factor de potencia del transformador (0,80)


LTDA, Gibson Jorge


C = 8.41 Kilo Voltioa Amperios (KVA)

Los cálculos de éste diseño de protección catódica están proyectados a 25 años.

Tabla 4.3 – Resultados del Diseño

Cálculos realizados por: Edgar Miño

Área de tubería a proteger 2988.53 m2

Cálculo de la corriente requerida para el sistema

89.65 A

Cálculo de la masa anódica requerida 672.38 Kg

Cálculo del número de ánodos requeridos 25 Ánodos

Resistencia de un ánodo con relleno 0,13 ohm

Resistencia total del circuito 0,67 ohm

Voltaje de salida del Rectificador 60.07 V

Capacidad del transformador 8.41 KvA

1000)8.0)(8.0(

07.6065.89C

126

El sitio sugerido para la aplicación de los Ánodos se representa en la Figura 4.2

Figura 4.2 - Sitio sugerido de aplicación de ánodos

Fuente: Ing. Fausto Ramos – FIGEMPA – UCE trabajo de consultoría en Riesgos

en las Refinerías de PETROINDUSTRIAL


De los cálculos realizados se tiene los resultados presentados en la Tabla 4.3, y

deberán ser implementados en el sitio sugerido en la Figura 4.2.

127

En la Figura 4.3 se representa las conexiones del sistema desde (1) la red eléctrica

suministra corriente alterna de alta tensión (2) rectificador para reducir la tensión

y convertir corriente alterna a corriente continua (3) caja de conexiones distribuye

la corriente a la cama ánodica en tierra (4) corriente distribuida a los ánodos a

través del suelo para la estructura (5) la estructura recoge la corriente (6) cable

retorna la corriente al rectificador cuando es conectado a la estructura.

Figura 4.3 – Sistema de corriente impresa con una cama anódica en

superficie

Fuente: Engineering Encyclopedia. Saudi Aramco Desktop Standards, Chapter

Corrosion, File reference COE-101.04


CAPÍTULO V

128

CAPÍTULO V

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 CONCLUSIONES

El sistema de protección catódica por corriente impresa es el más adecuado

para controlar la velocidad de corrosión en equipos metálicos, pero cuando la

masa metálica es grande como el caso de éste trabajo , se necesita adicionar a

los ánodos, corriente impresa para una protección global.

Las tuberías de éste pipetrack de RLL actualmente están protegidas con

pinturas de tipo epoxico y aisladas del suelo, pero ésta es una mínima

protección contra la corrosión, ya que únicamente la aislan del medio ambiente

pero no resuelven el problema de la celda electrolítica de corrosión, por tanto el

tipo de protección propuesto en éste trabajo es el más adecuado técnicamente.

La protección sugerida evitará impactos Económicos, Humano-Sociales, de

Seguridad Industrial y Ambientales que afectarían gravemente a la RLL y a la

sociedad-medio ambiente en general.

Del conocimiento adquirido un equipo metálico correctamente protegido contra

la corrosión puede cumplir una vida útil de hasta 25 años, y sin una protección

adecuada ésta vida útil puede reducirse en 6 meses.

129

5.2 RECOMENDACIONES

En la Refinería de La Libertad existen otros sistemas de pipetrack que han sido

identificados en el presente trabajo y a los cuales se debe aplicar protección

catódica por corriente impresa previo ún estudio similar.

El sistema de protección catódica por corriente impresa propuesto tiene que

complementarse con mantenimiento preventivo (pintura epóxica, evitar

empozamientos de agua) y con la correspondiente conexión eléctrica a tierra.

Cuando se haga mantenimientos en los que se deba cambiar parcial o

totalmente la tubería debe instalarse tubería del mismo material para evitar la

corrosión galvánica; además se debe comprobar la FEM del sistema completo.

El sistema de protección catódica por corriente impresa propuesto tiene que ser

identificado y evaluado en la matriz de aspectos e impactos ambientales.

El fabricante de los Ánodos garantiza una vida útil de éstos ánodos de hasta 15

años, pero es recomendable realizar mediciones de Fuerza Electromotriz

(FEM) en el sistema cada 5 años para determinar que funcione adecuadamente

y si los ánodos tienen aún capacidad operativa. En éste tipo de protecciones se

recomienda cambiar los ánodos cada 10 a 12 años.

130

GLOSARIO DE TÉRMINOS

Ácido débil. Es aquel ácido que no está totalmente disociado en una disolución

acuosa.

Aleación. Es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, con algún o

algunos elementos no metálicos. Se puede observar que las aleaciones están

constituidas por elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación

nulo)

Ánodo. Es un electrodo en el cual se produce la reacción de oxidación, un error

muy extendido es que la polaridad del ánodo es siempre positivo (+). Esto es a

menudo incorrecto y la polaridad del ánodo depende del tipo de dispositivo, y a

veces incluso en el modo que opera, según la dirección de la corriente eléctrica,

basado en la definición de corriente eléctrica universal. En consecuencia, en un

dispositivo que consume energía el ánodo es positivo, y en un dispositivo que

proporciona energía al ánodo es negativo.

Cátodo. Es un electrodo en el cual se produce la reacción de reducción, un error

muy extendido es que la polaridad del cátodo es siempre negativa (-). La

polaridad del cátodo depende del tipo de dispositivo, y a veces incluso en el

modo que opera, según la dirección de la corriente eléctrica, basado en la

definición de corriente eléctrica universal. En consecuencia, en un dispositivo

131

que consume energía el cátodo es negativo, y en un dispositivo que proporciona

energía al cátodo es positivo.

Corriente. Es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se

debe a un movimiento de los electrones en el interior del material.

Diodo. Es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente

eléctrica en una única dirección con características similares a un interruptor.

Electrodo. Es un conductor eléctrico a través del cual puede entrar o salir una

corriente eléctrica en un medio, ya sea una disolución electrolítica, un sólido, un

gas o el vacío.

Electrolito. Es cualquier sustancia que contiene iones libres, los que se

comportan como un medio conductor eléctrico.

Polarización. Es el establecimiento de una diferencia de potencial entre dos

conductores.

Termodinámica. Estudia los intercambios de calor y de trabajo que se producen

entre un sistema y su entorno que origina variaciones en la energía interna del

mismo.

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Interruptor_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Ion

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132

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SHEIR L. L. Corrosion. Volume 2 Corrosion Control (Third Edition)

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134

ANEXOS

Anexo 1 – Construcción de una instalación de protección catódica por corriente

impresa

Fuente: Handbook of Cathodic Corrosion Protection. Theory and practice of

electrochemical protection processes (Third Edition) W.Von Baeckmann, W.

Schwenk and W. Prinz


135

Anexo 2 – Diagrama típico del potencial constante del rectificador

Fuente: Peabody´s Control of Pipeline Corrosion (Second Edition). A.W. Peabody,

2001 by NACE.


136

Anexo 3 – Esquema de interferencia Anódica

Fuente: Handbook of Corrosion Engineering. Pierre R. Roberge 2000.


Anexo 4 – Esquema de interferencia Catódica



137

Anexo 5 – Esquema de interferencia Anódica y Catódica



Anexo 6 – Principio de protección catódica para minimizar la interferencia

Anódica

Fuente: Handbook of Corrosion Engineering. Pierre R. Roberge 2000 Elaborado por: Edgar Miño

138

Anexo 7 – Uso de Ánodos de Sacrificio para mitigar la interferencia Catódica



139

Anexo 8 – Líneas de pipetrack de la Refinería de la Libertad que se sugiere

proteger







140







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