FUNDAMENTOS PROTECCION CATODICA

PROTECCION CATODICA

. FUNDAMENTOS

. PROTECCION CATODICA CON ANODOS DE SACRIFICIO

. PROTECCION CATODICA CON CORRIENTE IMPRESA

. INTERFERENCIAS ELECTRICAS

. RECTIFICADORES

. CRITERIOS DE PROTECCION CATODICA

. MONITOREO DE SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA

. NUEVAS TECNICAS DE MONITOREO: CIS Y DCVG

FUNDAMENTOS DE CORROSION

♣ Corrosión: Deterioro de los materiales debido a su interacción, química oelectroquímica con el medio ambiente en que son usados.

♣ Los fenómenos electroquímicos son transformaciones reciprocas de lasenergías de reacción química y electroquímica, lo cual se puede darmediante el establecimiento de celdas o pilas electroquímicas.

. Ánodo. Es donde el metal se desgasta y produce los electrones

. Catódo. Es donde los electrones producidos en el ánodo son consumidos

. El medio conductor. Conduce los electrones de los sitios ánodicos a los sitiosCatódicos

. El electrolito. Suministra los agentes reactivos que reaccionan catódicamente ypermite el flujo de iones

ANODO

CATODO

e-e-

ELECTROLITO

Representación de una celda electroquímica de Corrosión

Ciclo de Producción y Corrosión de materiales

ENERGIA

ENERGIA

Ef

Ei

METALES

MINERAL HIERRO

ME

TALU

RG

IA

CO

RR

OSIO

N

REACCIONES DE CORROSION

ø Reacciones ánodicas.

Me Men+ + ne- (1)

ø Reacciones Catódicas.1. Evolución de Hidrogeno. 2H + + 2e- H2 (2)

2. Reducción de oxígeno en soluciones ácidas.O2 + 4H + + 4e- 2H2O (3)

3. Reducción de oxígeno en soluciones neutras y alcalinas

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

4. Reducción de ion metálicoFe3+ + e- Fe2+ (5)

DIAGRAMAS DE POURBAIX

. Son diagramas ideales de potencial - pH, que muestran la relación entre estas dosvariables en las diferentes condiciones posibles dentro de un sistema acuoso,mediante líneas de equisolubilidad

Diagrama E - pH para el sistema Fe - H2O a 25oC Donde se muestran lasdiferentes zonas de Corrosión, Pasivación e inmunidad

Fe++

CORROSIONPASIVACION

INMUNIDAD

Fe(OH)2+

Fe

FeOH++

HFeO2-

Fe2O3+

Fe3O4+

Fe+++

pH

E(V)

20 64-2 108 12 14 16

0.4

-0.8

-1.6

-0.4

-1.2

0

1.2

0.8

1.6

CARACTERISTICAS CORROSIVAS DEL SUELO

. POROSIDAD. La reacción catódica principal es la reducción de oxigeno, el cual proviene de laatmósfera, difundiéndose a través de las porosidades que deja el suelo en su estructura.

. HUMEDAD. Como el oxigeno, el agua es indispensable para la ocurrencia de la reaccióncatódica, además es la que proporciona la conductividad del medio, permitiendo la disolución desales (cloruros, sulfatos, bicarbonatos, etc.) y la migración de las especies iónicas a través delterreno

. RESISTIVIDAD. Es quizás la característica más significativa en la determinación de lacorrosividad de un suelo. Se ha elaborado una clasificación establecida por Water en la cualestablece:

. Corrosión severa: 0 900Ohm-cm. Moderadamente corrosivos: 2301 5000 Ohm-cm. Ligeramente corrosivos: 5001 10000 Ohm-cm. Pocos corrosivos: Valores mayores a 10000ohm.

. La medición de resistividad en suelos se efectúa por el método de WENNER o delas cuatro varillas (Standard ASTM G-57),

R = (P* L /A ) (6) Donde R = Resistencia en Ohm P = Resistividad (ohm –cm)L = Longitud A = Área transversal (cm2 )

AMPERIMETRO

FUENTE

ELECTRODO DE

CORRIENTE

VOLTIMETRO

ELECTRODO DE

VOLTAJE

CABLES

P = 2*3.1416*R*S

Medición de resistividad de suelos por el método de WENNER

CARACTERISTICAS CORROSIVAS DEL SUELO

. SALINIDAD. Los suelos están constituidos principalmente por sílice, silicato, magnesio, óxido dealuminio y hierro, carbonatos de calcio y magnesio, todos ellos insolubles.

. sales que liberan los cationes Na+ , K+ , Ca++ , Mg++ , y los aniones Cl- , SO4= y los

bicarbonatos que se forman a partir de los carbonatos.

. ACIDEZ. Los suelos poseen un pH que fluctúa entre 5.0 - 9.5 .

. La reacción catódica es la reducción de Oxigeno.

. Terrenos cenagosos con humus (materia orgánica en descomposición) o ricos en determinadassales minerales o con fuerte acción bacteriana o con agentes extraños como abonos químicoso contaminantes industriales o domésticos

. POBLACION BACTERIANA. Su efecto es más notorio en suelos que se esperan bajasvelocidades de corrosión, especialmente la presencia de bacterias anaeróbicas.

. HOMOGENEIDAD DEL SUELO. A escala micro y macrocoscópica la humedad, el contenidode sales y otras sustancias, la acidez, el grado de contaminación, población bacteriana y laestructura física, pueden variar enormemente a pequeñas distancias dando origen a celdas deconcentración

. PARES GALVANICOS. Presentan cuando se ponen en contacto materiales con potencialeselectroquímicos diferentes, formando ánodos y catódos.

. CORRIENTES VAGABUNDAS. Las corrientes continuas que circulas a través del suelo, fuerade los circuitos previstos, o corrientes de fuga pueden causar severos daños en las estructurasenterradas.

Ley de Ohm

ø Las relaciones entre Corriente, resistencia y voltaje en un circuito estánestablecidas por la ley de Ohm.

R = (E /I) (7)

E = Fuerza electromotriz (volts)

R = Resistencia (ohms)

I = Corriente ( Amperios)

•

v

E

Resistencia R

Corriente I

- +

Esquema de un circuito eléctrico simple

PROTECCION CATODICAø Es la reducción o eliminación de la corrosión en una celda electroquímica al hacer que un

metal, en todos su puntos, tenga un comportamiento catódico, mediante la imposición deuna corriente directa o uniéndolo a ánodos de sacrificio. La protección catódica hace quetoda la superficie actúe como un Catódo y que no se presente flujo neto al medio ambientey que la corrosión no ocurra

FLUJO DE ELECTRONES

AREAS CATODICASAREAS ANODICAS

ELECTROLITO

FLUJO DE IONES POSITIVOS

METAL

Esquema de flujo de corriente directa en una estructura típica en un proceso decorrosión

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

♣ La protección catódica de una estructura puede ser producida por dos métodos:Corriente impresa y ánodos de sacrificio

+

CORRIENTE DECORROSION (I)

RESISTENCIAPOLARIZACION ANODICA

RESISTENCIAPOLARIZACION CATODICA

RESISTENCIAELECTROLITO

emf

PROTECCION CATODICA

TUBERIA (SOLO CATODO)

CORRIENTE DE PROTECCION

FUENTE

CAMA DE ANODOS

0 Un metal activo como el Magnesio o Zinc son colocados en contacto en un ambiente corrosivoy eléctricamente conectados a la estructura a ser protegida.

0 El ánodo se puede definir como el metal que tiene una diferencia de voltaje con respecto a laestructura que sé esta en proceso corrosivo y que descarga corriente (positiva) que pasa através del medio ambiente a la estructura.

PROTECCION CATODICA CON ANODOS DE SACRIFICIO

+

+

ANODO

ESTRUCTURA PROTEGIDA ELECTROLITO

FLUJO DE ELECTRONES

CONECCION METALICA

LIQUIDO O SOLIDO

FLUJO DE IONES

Esquema de un sistema de protección catódica utilizando ánodos de sacrificio

♣ Zinc, Magnesio y Aluminio son comúnmente utilizados como ánodos de sacrificio.ø Potencial de salidaø Rata de consumo y resistencia a la polarización (pasivación).ø La diferencia de potencial entre el ánodo y la estructuraø Tener la suficiente energía eléctricaø Ser eficiente como sea posible,

♣ Ventajasø Operan independiente de una fuente de corriente externaø Simples de instalarø No hay posibilidad de conexión incorrectaø Fácil de obtener un potencial uniforme a lo largo de la estructuraø Difícil de obtener potenciales muy bajos.ø Costos iniciales bajos y bajo mantenimientoø Alta eficiencia

♣ Desventajasø Poca diferencia de voltaje, restringe el uso a ambientes conductores, estructuras

recubiertasø Corriente de salida bajaø Para tuberías con recubrimientos deficientes es impractico

PROTECCION CATODICA CON ANODOS DE SACRIFICIO

METAL FUNDIDO

CABLE CONDUCTOR

ANODO

BOLSA DE TELA

SELLO

RELLENO “BACKFILL

ŸESO 75%

BENTONITA 20%

SULFATO DE SODIO 5%

NUCLEO DE ACERO

Esquema de un anodo de sacrificio

PROTECCION CATODICA CON CORRIENTE IMPRESA

, En este caso una fuente externa de corriente directa es conectada entre la estructura aproteger y la cama de ánodos.

, los ánodos son forzados a descargar la corriente y se pueden corroer., Los materiales para los ánodos deben tener bajas ratas de consumo,

, Los materiales comúnmente usados como ánodos son la chatarra de acero, fundición,Fe14Si- 3Mo, Grafito, Ti, Ta, platino, Titanio platinizado y cerámicos

+

+

CAMA ANODICA

ESTRUCTURA PROTEGIDA

ELECTROLITOFLUJO DEELECTRONES

LIQUIDO O SOLIDO

FUENTEDC

FLUJO DE IONES

+-

Esquema de un sistema de protección catódica utilizando corriente impresa

PROTECCION CATODICA CON CORRIENTE IMPRESAø Los sistemas de protección catódica con corriente impresa requieren de una fuente

D.C.£ Transformadores / rectificadores£ Paneles solares£ Generadores£ Celdas Fuel£ generadores a gas, termoeléctricos

ø El diseño de un sistema de protección catódica es una tarea muy compleja querequiere de mucha experiencia y conocimiento.£ Requerimientos regulatorios£ Económicos£ Metal a ser protegido£ Vida útil del diseño£ Requerimientos de corriente£ Variaciones ambientales£ Efectos de apantallamientos de corrientes£ Efectos de corrientes extraviadas£ Recubrimiento

♣ Ventajas£ Pueden ser diseñados para un amplio rango de voltaje y corriente

£ Alta salida de amperios disponibles de una sola instalación£ Grandes áreas se pueden proteger con una sola instalación£ Salida de voltaje y corriente variable£ Aplicable para terrenos de lata resistividad

£ Efectivo para proteger estructuras metálicas sin recubrimiento o en estadodefectuoso

£♣ Desventajas

£ Pude causar interferencias£ Sujeto a vandalismos o fallas en el sistema de alimentación

£ Requiere de inspecciones y mantenimiento periódico£ Requiere de una fuente externa£ Costos de consumo de energía

£ Se puede presentar sobre-protección y dañar el recubrimiento

PROTECCION CATODICA CON CORRIENTE IMPRESA

CO

RR

IEN

TE

RE

QU

ER

IDA

(A

)

SISTEMAS DE ANODOS DESACRIFICIO

RESISTIVIDAD DE SUELOS Ohm-cm

4000

SISTEMAS DE CORRIENTEIMPRESA

2000 6000 8000 10000

1

2

3

0

Guía general para la selección de sistemas de protección catódica

ATENUACION DEL POTENCIAL Y DISTRIBUCION DECORRIENTE

: La corriente no será enviada uniformemente en la tubería, y será máxima para ladistancia mínima, donde la resistencia es mínima.

PAREDTUBO

DENSIDAD DECORRIENTE

DISTANCIA

SUELO

POTENCIAL

POTENCIAL MINIMO

Diagrama de atenuación de corriente y potencial a lo largo de una tubería

RECUBRIMIENTOS

♣ Su principal función es el ahorro de la corriente requerida para proteger laestructura metálica.

♣ El conjunto recubrimientos y protección catódica protegen con mayor efectiva laestructura metálica. El recubrimiento separa el metal del medio ofreciendoprotección excepto en zonas dañadas donde opera la protección catódica.

♣ Controlando cualquier corrosión externa en el epicentro del defecto delrecubrimiento, el cual es un balance de:

♣Tamaño del defecto del recubrimiento♣Número y proximidad relativa a otros defectos

♣Efectividad de los sistema de protección catódica♣ Si hay poca protección catódica aplicada puede ocurrir la corrosión externa.

Pero si hay demasiada corriente de protección aplicada genera una excesivaalcalinidad. Ambos generan aumento del tamaño del defecto y aceleran ladegradación.

COMBINADO

COSTO DEPROTECCION

PROTECCION CATODICA

COSTO DEPROTECCION CATODICA

RECUBRIMIENTO

% TUBERIA SIN RECUBRIR0%

COSTO DERECUBRIMIENTO

100%

Efecto de combinar recubrimientos y protección catódica en el costo de laprotección

INTERFERENCIAS ELECTRICAS

ø Una interferencia eléctrica es cualquier alteración eléctrica sobre una estructura metálica encontacto con un electrolito que es causado por una corriente extraviada

ø FUENTES DE INTERFERENCIAS ELECTRICAS DE CORRIENTE£ Corriente directa: (HVDC), sistemas de Protección catódica, equipos de soldadura,

sistemas de tracción

£ Corriente alterna (líneas de transmisión de alta tensión)£ Corrientes telúricas

ø L as interferencias de corriente directa son las que más afectan los sistemas de protecciónCatódica y pueden causar problemas de corrosión.

ø Se pueden mitigar mediante los siguiente métodos:

£ Remover la fuente que lo esta causando£ Uso de blindajes apantallamientos£ Empleo de bonding eléctricos

£ Aplicar un recubrimiento en los sitios donde se presentan los picos de corrientesobre la estructura afectada o recubrir la causa de la interferencia

RECTIFICADOR

TUBERIA PROTEGIDA

TUBERIA EXTERNA

PERFIL DE POTENCIAL TUBERIAEXTERNA

POTENCIAL

Cambios de corriente y potenciales sobre una tubería externa causado porinterferencias

RECTIFICADORES DE PROTECCION CATODICA

: Las fuentes de energía más utilizadas en sistemas de protección catódica por corrienteimpresa son transformadores / rectificadores de corriente alterna, conocidos simplementecomo rectificadores.

A

v

-

+

CAMAANODICA

A TUBERIAA

PROTEGER

POLO ATIERRA

ENTRADA DE FASE AC

(+)(-)

PUENTE DERECTIFICACIO

N

POLO A TIERRAENTRE EL PRIMARIO Y

SECUNDARIO

SHUNT

, La máxima conversión teórica posible es calculada de la relación depotencias:

, % Eficiencia = (Potencia de salida/ potencia de entrada)

, Los rectificadores los podemos agrupar en dos grandes grupos: losenfriados con aire y los enfriados con aceite

RECTIFICADORES DE PROTECCION CATODICA

ONDA RECTIFICADA DC

ELEMENTO DERECTIFICACION

AC ENTRADA

TIEMPO

_

+

E

. Diagrama de rectificación de la corriente alterna a corriente directa

CRITERIOS DE PROTECCION CATODICA

ø El proceso de corrosión deberá ser completamente mitigado cuando los cátodossean polarizados a un potencial igual o más negativo que el potencial del ánodosobre la superficie del metal que esta siendo protegida.

ø Pero este potencial no lo podemos determinar de manera precisa, por lo cual sehan tomado unos criterios de aceptación. NACE

ø NACE ha desarrollado una serie de standard para protección catódica quecubre tuberías enterradas y tanques como son la RP0169 (Control of externalcorrosion on underground or Submerged Metallic Piping Systems ) y RP0285 (Corrosion control of Underground Storage Tank Systems by CathodicProtection).

ø En resumen existen los siguientes criterios de protección catódica consignadosen el NACE Standard TM0497-97Item No. 21231


ø Medida de un potencial de -850 mV de potencial (P/S) con protección catódicaaplicada

ø Medida de un potencial polarizado negativo de 850mV (P/S)

ø Polarización catódica de -100 mVø Medida de la corriente neta de protección

ø CLASES DE EQUIPOS PARA MEDIDAS DE POTENCIALES:£ Los instrumentos utilizados para las medidas de potenciales, corrientes, caídas de

voltajes y£ otras medidas similares son los voltímetros, de los cuales tenemos de dos tipos:

ø INSTRUMENTOS ANALOGOS£ Son usualmente especificados en términos de la resistencia de entrada o

resistencia interna. Esto

£ es usualmente expresado como ohmios por voltios de la deflección de la escalacompleta.

ø INSTRUMENTOS DIGITALES£ Son usualmente especificados en términos de la impedancia de entrada como

megaohmios.

+ 0.850

DC

+VOLT

-COM

- +

C

+

TUBERIATERMINAL DE PRUEBA AL TUBO

VOLTIMETROS

ELECTRODO DE REFERENCIA

DIRECCION DE LA CORRIENTE MEDIDA

Conección convencional del instrumento para la medida de potenciales estructurametálica suelo

Medidas de potencial tubería - suelo.

: La medida de potencial tubería - suelo de un tubo desnudo puede ser hecha con unelectrodo de referencia colocado próximo a la interface metal/electrolito

: Esta medidas incluyen una combinación de perdidas de voltaje asociadas con:

¤ Voltímetro

¤ Terminales de prueba

¤ Electrodos de referencia

¤ Electrolito

¤ Recubrimientos aplicados

¤ Tubería

¤ Interface metal/electrolito

: Las medidas de potencial que se realizan para determinar el nivel de proteccióncatódica en las estaciones en sitio deben considerar:

: Efectividad del recubrimiento, posibles daños esperados

¤ Secciones de tubería desnuda

¤ Bonding para mitigar interferencias

¤ Líneas de tubería recubiertas paralelas conectadas eléctricamente ypolarizadas a diferentes potenciales


¤ Efectos de otras estructuras sobre las medidas¤ Localización de ánodos de corrientes impresa

¤ Historia de daños por corrosión y reparaciones¤ Localización de mecanismos de aislamiento¤ Blindajes¤ Presencia de otros electrolitos no usuales como derrames químicos, cambios

en la resistividad de los suelos¤ Localización de casing¤ Interferencias eléctricas de corriente directa tales como telúricas, equipos

de soldadura, rectificadores foráneos equipos de minería y sistemas detrenes eléctricos

¤ Contacto con otras estructuras metálicas¤ sitios donde la tubería entra y sale del electrolito¤ Areas de construcción adyacentes a la tubería

¤ estructuras metálicas enterradas cercanas y/o cruzando con la tubería¤ Válvulas de control¤ líneas de corriente directa de alta


NIVEL DE PROTECCION CATODICA - LINEAS FLUJO CUP

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

LINEA DE FLUJO

PO

TE

NC

IAL

(m

v)

Jun-00 Lim. superior Lim. infer ior

MONITOREO DE SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA

♣ Medidas puntuales de potenciales estructura / suelo♣ Verificación del aislamiento en bridas.

♣ Inspección mecánica y estructural de estaciones de Monitoreo♣ Inspección y verificación de continuidad de cables del sistema de protección catódica♣ Inspección del estado de recubrimiento (DCVG)

FLANCHE DEAISLAMIENTO

TUBERIA

EQUIPO DEMEDICION

CONECTORES

Verificación de aislamiento en bridas de aislamiento del sistema de protección

JUNTION BOX

GENERACIONA.C

TRANSFORMADOR

RECTIFICADOR

CONEXIONADO

BRIDAS DEAISLAMIENTO

CAMAANODICA

TEST POINTESTRUCTURA APROTEGER

1

4

3

6

5

2

ø PRINCIPIOS DE LA TECNICA DE DCVG

:Cuando una corriente directa (DC) es aplicada a la superficie del acero deuna tubería, en una manera similar a la corriente que se aplica en proteccióncatódica, un gradiente de voltaje es establecido en el suelo. La corriente delgradiente de voltaje pasa a través de la resistividad del suelo y fluye a lasuperficie de acero expuesta del tubo a través de cada defecto delrecubrimiento

:Si tamaño de defecto es más grande, mayor es el nivel de corriente fluyendoal defecto y corresponde a un mayor gradiente de voltaje es desarrollado enel suelo

:Un milivoltimetro de alta sensibilidad balanceado con dos electrodos dereferencia de Cobre/Sulfato de Cobre es usado como probeta. Indicandocualquier imbalance cuando cada probeta esta posicionada sobre la línea degradiente de voltaje del suelo.

:El gradiente de voltaje DC puede estar influenciado por otros sistemas DC,para separar la señal de estas interferencias se usa una especifica que espulsada por un interruptor (ciclos normales de 0.6se OFF y 0.3s ON).

:La señal sincronizada puede ser impuesta utilizando una fuente externasobre cualquier sistema de protección catódica existente o interrumpiendo lasalida del rectificador de protección.


♣ PRINCIPIOS DE LA TECNICA DE MEDIDAS DE POTENCIALES PASO A PASO (CIS)ø Las mediciones de potenciales tubería / suelo es una buena indicación de la efectividad de la

protección catódica que está ocurriendo en la unión tubo / suelo.ø Estas mediciones se realizan en las estaciones de prueba cada 1 o 2 kilómetros de distancia,ø Factores que hacen que las mediciones en las estaciones no sean representativas

øQuímica del suelo, Humedad y compactación, distancia entre camas ánodicasøTipos de recubrimientos


ELECTRODO DEREFERENCIA

TUBERIAENTERRADA

ESTACION DE PRUEBA

: En los Monitoreo mediante la técnica de CIS se pude determinar::Forma de la onda. Consiste de una representación gráfica del potencial tubería suelo

de un punto con respecto al tiempo.

:Caídas del metal IR. Se interrumpe la corriente y se realizan mediciones depotenciales “ON/OFF”

:Potenciales de drenaje laterales. Estos potenciales se miden a ambos lados de latubería


TIEMPO EN MILISEGUNDOS

POTENCIAL (-V)

0.6

2.20

1.0

Impresión de la forma de la onda ciclada durante un ciclo “ON/OFF” de un CIS

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