Sistemas de Protección Catódica (día 3)

DÍA 3

La protección catódica es una técnica de control de la corrosión, que se basa en los principios de electroquímica para proteger estructuras de acero por medio de un conjunto de elementos que se combinan con la misma estructura para inducir su protección contra el fenómeno de la corrosión constituyéndose así como un sistema de protección catódica.

REPASO

Tipos de Sistemas de Protecció n Cató dica

Ánodos Galvánicos Corriente Impresa

VENTAJASNo requiere de una fuente de alimentación externa, fácil instalación, bajos costos (baja corriente, mantenimiento mínimo), pueden ser parte integral de la estructura y es eficaz para la protección de pequeñas estructuras eléctricamente aislados.

DESVENTAJASPotencial limitado (corriente baja), no es aplicable para proteger grandes estructuras desnuda porque la vida del ánodo puede ser corta.

VENTAJASPotencial grande (salida alta de corriente), control flexible de salida de corriente, aplicable a casi cualquier resistividad del suelo, se puede proteger grandes estructuras de acero desnudo.

DESVENTAJASPueden causar problemas de interferencia o daños del revestimiento (corrientes parásitas y altas), Los sistemas deben ser monitoreados y mantenidos regularmente, los costos de mantenimiento y de funcionamiento son más altos.

Fuente: API RP 1632 (2010)

REPASO

REPASOPrincipios y consideraciones generales de diseñ o

(1) Resistividad del suelo,

(2) Ubicación de los ánodos (corriente de protección uniforme),

(3) Requisitos actuales y futuras,

(4) La vida del sistema de protección catódica y de las estructuras a proteger (nueva o vieja),

(5) Presencia de corrientes parásitas y control de la salida de corriente,

(6) fiabilidad de los componentes del sistema,

(7) Obtención de datos preliminares para diseños especificos o condiciones especiales,

(8) El uso de conductores que conectan a los ánodos con las estructuras, a los ánodos con las estaciones de prueba, y a los ánodos con los rectificadores implica un ordenamiento de las ubicaciones de cada elemento,

(9) Identificación y ubicación en un plano, tanto del terreno como de la instalación, y una copia del mismo debe ser mantenida por el propietario o custodio de la infraestructura.

Fuente: API RP 1632 (2010)

REPASOÁnodos

Propiedades que deben poseer:

Bajo consumo bajo costo (amperios/año).

Densidad de corriente elevada elevado rendimiento eléctrico (A.h/Kg).

Pequeñas dimensiones y versatilidad geométrica.

Baja resistividad, y desgaste homogéneo.

Buena resistencia mecánica.

Potencial de disolución suficiente para polarizar la estructura( E = ∆ -0,8 V en acero).

Ánodos Galvánicos Ánodos para Corriente Impresa

• Magnesio

• Zinc

• Aluminio

•Hierro-Silicio y/oCromo

•Chatarra de hierro

•Grafito

•Niobio o Titanio

•MMO

REPASO

Rellenos carbonosos : : garantizar un drenaje de corriente homogéneo, aumenta el área efectiva de drenaje, reduce la resistencia del suelo y prolonga la vida del ánodo. Composición: coque, coque de petróleo calcinado y grafito natural. Resistividad aprox. 50 Ω.cm

Lecho de ÁnodosSoldadura

Cadweld(fundida)

•AS/NZS 3000:2007(wiring rules)•IEC 60364-5-52:2009 (wiring systems)• IEC 61386-24:2004 (Conduit systems

buried underground)

REPASO

Son equipos convertidores de corriente ac/dc, basado en diodos de silicio.

Permiten el ajuste manual o electrónico de corriente y la tensión de salida.

Para protección catódica normalmente se utilizan del tipo monofásicos.

Los rectificadores enfriados por aire manejan un rango máximo de tensión y corriente desde 10 VDC Hasta 120 VDC y desde 10 Amp hasta 200 Amp.

Los rectificadores enfriados por aceite manejan un rango máximo de tensión y corriente DC desde 10 hasta 150 VDC y desde 10 hasta 250 Amp.

Fuentes de Corriente

Un diodo rectificador semiconductor es un elemento que permite el paso de corriente en una sola direcció n y es capaz de regular las cargas.

REPASOCriterios de Selecció n

ESTRUCTURA Tipo SPC Observación Estándar recomendado

Fondos de Tanques de almacenamiento

CISi el tanque es muy pequeño se puede emplear AG.

API RP 651-2014NACE RP0193-2001PDVSA HA-201 2010

Interior de tanques de almacenamiento de agua

AG o CI NACE SP0196-2011NACE SP0388-2014ANSI/AWWA D104-2011ANSI/AWWA D106-2010

Tanque enterrado AG o CI NACE SP0285-2011

Tuberías de gas/crudo o agua sumergida o enterrada

CI NACE SP0169-2013ASME B31.4-2012 (Refer)PDVSA HA-201 2010DNV-RP-B401-2010 (offshore)DNV-RP-F103-2010 (offshore)ISO 15589-1 (on-land) ISO 15589-2 - 2004(offshore)NORSOK M-503 2007 (offshore)

Cruces de carreteras AG PDVSA H–201–O-1998API RP1102-2007

Tuberías de distribución de gas AG PDVSA HA-201 (2010)NACE SP0169-2013ASME B31.8-2012 (Refer)DNV-RP-F103-2010 (offshore)

Muelles, Pilotes AG o CI PDVSA HA-201 2010NACE SP0176-2007 (offshore)NACE Publication 7L198

Tablaestacas AG o CI En canales de agua de mar se utiliza CI, muelle frente al mar se utiliza AG

PDVSA HA-201 2010NACE SP0176-2007 (offshore)NACE Publication 7L198-2009

Barcos AG o CI PDVSA HA-201 2010UNE -EN 16222 (2013)API RP 14F (2013)

Gabarras AGsi la gabarra posee fuente de energía también se puede utilizar CI

PDVSA HA-201 (2010)PDVSA PI–05–03–04 (2002)UNE -EN 16222 (2013)API RP 14F (2013)

Pozos de hidrocarburos o agua CI PDVSA HA-201 2010API Spec 17D (2013)

tuberías de revestimientos o casings

AG NACE SP0186-2007NACE TPC 5-1999

Plataformas offshore AG o CI DNV-RP-B401-2010ISO 15589-2 - 2004(offshore)NACE SP0176-2007 (offshore)NACE Publication 7L198-2009

REPASOPrincipales Normas de Protecció n Cató dica

NACE SP0169

DNV RP B-401

PDVSA HA-201

REPASOCriterios de Funcionamiento de los Sistemas de Protecció n Cató dica

NACE RP0169NACE RP0169 / / ISO 15589-1 ISO 15589-1

Estructuras enterradas en suelos de alta resistividad pueden ser usados potenciales menos negativos que –850 mV EDR-Cu/CuSO4

100 mV EDR-Cu/CuSO4 de Polarización ( E∆ ) pueden ser suficientes para alcanzar el control de la corrosión entre la superficie del metal y el electrolito

750 mV EDR-Cu/CuSO4 para resistividad de suelos entre 10.000 a 100.000 Ω.cm

650 mV EDR-Cu/CuSO4 para resistividad de suelos mayor a 100.000 Ω.cm

En presencia de BSR puede ser usado potenciales más negativos que –950 mV EDR-Cu/CuSO4

Para evitar daños en el revestimiento el potencial no debe ser más negativo de –1200 mV EDR-Cu/CuSO4

REPASOImplantació n de un Sistema de Protecció n Cató dica

REPASOLista de Documentos de la Disciplina Protecció n Cató dica

REPASOViabilidad Econó mica

“El costo de protección catódica un sistema bien diseñado sólo es un pequeño porcentaje de la inversión total de la instalación protegida. Preferiblemente este porcentaje no debe exceder del 5 %.”

Ref.: PDVSA HA-201(2010) – Sección 18

Ref.: CORROSIÓN CONTROL Vol 2. L.L. Sheir, R.A. Jarman, G.T. Burstein

En el diseño de protección catódica se busca lograr un equilibrio económico entre los costos de instalación, los costos de mantenimiento, el costo inicial de las unidades de energía y el consumo de energía. En este último punto debido a que tanto el costo del rectificador como el costo de la energía eléctrica consumida son circunstanciales sobre la tensión de funcionamiento del sistema, es necesario mantener la tensión de funcionamiento lo más baja posible; y por esta misma razón, contar con un lecho anódico de baja resistencia cuando sea económicamente posible.

¿Qué Medimos?

MEDICIONES

¿Qué medimos?

Voltaje / Potencia

Amperaje / Corriente

Resistividad / Resistencia - Conductividad

Ley de Ohm

V = I x R

pH / Concentración Saturació n de especies ió nicas

Distancias / ProfundidadUbicació n en el espacio de los defectos superficiales de la estructura

Tolerancias /Capacidades Potenciales IR en funció n del tiempo

VV = I

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MEDICIONES

¿Para qué lo medimos? Definició n de los parámetros de diseñ o

Determinació n de corrientes vagabundas

Estado general de los Sistemas de Protecció n Cató dica existentes

¿Có mo lo medimos? NACE SP0210

ANSI/NACE SP0502

Evaluación directa de la corrosión externa“external corrosion direct assessment” (ECDA)

Dependiendo del acceso a la estructura la inspección puede ser Directa o Indirecta.

Estas normas son la base para la producción de los programas de inspección y mantenimiento

1

VOLTIMETRO / AMPERIMETRO

Instrumentos de medición

Multímetro

Pinza Amperimétrica

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CORRIENTES PARÁSITAS (MEDIDAS)

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RECTIFICADOR (INSPECCIÓN)

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PROCEDIMIENTO SEGURO(RECTIFICADOR)

ELECTRODOS DE REFERENCIA PERMANENTES

Dependiendo de las condiciones del electrolito, suelo (húmedo o seco) o agua salada, se utilizan varios tipos de electrodos de referencia permanentes.

Para el caso de suelos secos se utilizan de Cu/CuSO4 y Ag/AgCl, y en otros casos se utilizan, incluso electrodos de grafito.

En agua salada el electrodo de referencia utilizado es el de Zinc de alta pureza.

ELECTRODOS DE REFERENCIA

Cuando un electrodo se coloca en contacto con un electrolito, entonces se crea entre ambos una diferencia de potencial E∆ .

Esta diferencia no puede ser medida de manera absoluta, por lo tanto se mide en comparación con un electrodo especial, un electrodo patrón, que es el electrodo de referencia.

El electrodo de referencia más común utilizado en Protección Catódica es el de Cu/CuSO4 (SAT) por su siglas en inglés cse .


Ref.: CORROSIÓN CONTROL VOLUMEN 2. Sheir-Jarman-Burstein.Ref.: CORROSIÓN CONTROL VOLUMEN 2. Sheir-Jarman-Burstein.

Datos y rangos de aplicación de los electrodos de referencia


Ref.: MÁS ALLÁ DE LA HERRUMBRE II. Javier Ávila - Joan Genescá .Ref.: MÁS ALLÁ DE LA HERRUMBRE II. Javier Ávila - Joan Genescá .

Ref.: NACE TM0113


Ref.: CORROSIÓN CONTROL VOLUMEN 2. Sheir-Jarman-Burstein.Ref.: CORROSIÓN CONTROL VOLUMEN 2. Sheir-Jarman-Burstein.

Potenciales de los electrodos de referencia

Tapón Poroso

Cristales deCuSO4

Solución Sat.de CuSO4

Tubo demetacrilato

Barra de Cobre

Tapa superior

Cable de cobreconector

Electrodo de Cu/CuSO4

ELECTRODOS DE REFERENCIADiagrama o estructura del electrodo

csecse

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CUIDADO Y LIMPIEZA DE LOS ELECTRODOS DE REFERENCIA Cu/CuSO4


Electrodo de Ag/AgCl

Es el mejor electrodo de referencia para la medida de potencial en agua a altas temperaturas


Electrodo de Zinc

Está formado por un bloque de zinc de alto grado de pureza.

Ideal para suelos yaguas salobres

Tapa plástica

Alambre conductor

Zn de alta pureza

ELECTRODOS DE REFERENCIAElectrodo de Zinc (Casco de un barco)


Electrodo de Calomelano Hg/Hg2Cl2, KCl

KCl (sat)

Hg, Hg2Cl2

Conexión eléctrica

Es un electrodo de referencia utilizado comúnmente en laboratorios, para medidas del pH en fase acuosa

La actividad del ion metálico está determinada por la solubilidad de la propia sal metálica.

El mercurio un metal noble, ya que su potencial redox Hg2+/Hg es positivo (+0,85 V)

Representa un peligro al poder evaporar sobre los 40ºC

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MEDIDA DEL pH

ACCESORIOSAislamiento eléctrico de tuberías con protección catódica

Ref.: NACE RP0286-2007

1

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BRIDAS AISLATES

ACCESORIOS

Tipos de bridas

Tipo E

ACCESORIOS

Tipos de bridas

Tipo F

ACCESORIOS

Tipos de bridas

Tipo O

ACCESORIOS

Tipos de bridas

Tipo D

ACCESORIOS

Tipos de bridas

Aplicaciones especiales (Válvulas)

ACCESORIOS

Celda de Polarización

+ -

Se acoplan a las juntas de aislamiento, o se utilizan por si mismas para proporcionar aislamiento y separa por sectores a los sistemas de puesta a tierra.

Son dispositivos electroquímicos capaces de resistir el flujo eventual de corriente AC y DC de alta intensidad.

ACCESORIOS

Celda de Polarización

1

células de polarización están disponibles en corrientes nominales de 1kA hacia arriba. clasificaciones estándar disponibles son 5, 25, y 50 kA

Están constituidas por unas placas de acero o níquel inoxidable dentro de un electrolito de hidróxido de potasio: el paso de la corriente directa produce la polarización y la acumulación de fuerza opuesta a la electromotriz debido a la formación de gas hidrógeno en las placas que actúan como cátodo y oxígeno en las placas que actúan como ánodo (electrodos).

Están constituidas por unas placas de acero o níquel inoxidable dentro de un electrolito de hidróxido de potasio: el paso de la corriente directa produce la polarización y la acumulación de fuerza opuesta a la electromotriz debido a la formación de gas hidrógeno en las placas que actúan como cátodo y oxígeno en las placas que actúan como ánodo (electrodos).

ACCESORIOS

Discriminador de corriente AC-DC

Son dispositivos del estado sólido con las mismas aplicaciones que las celdas de polarización pero con la ventaja de que no tienen resistencia eléctrica al paso de corriente alterna.

-+

Junta Aislante

El Discriminador de corriente AC- DC no tiene un electrólito y no necesita su recambio y mantenimiento, mientras que las Celdas de Polarización necesitan mantenimiento porque la solución de KOH se consume, como todos los electrólitos.

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PROTECCIÓN CATÓDICA LOCALIZADA(EJEMPLO VÁLVULA AISLADA)

ACCESORIOSEstaciones de medición


Diseño al ras del piso

Diseño tipo postes, sobresalen del suelo


1

Estaciones de medicióncon monitoreo remoto


Shunts

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PRUEBA SOBRE DERIVACIÓN ELÉCTRICA(SHUNT TEST)

INSPECCIÓNPrueba sobre revestimientos Holliday

Ref.: NACE SP0490

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HOLLYDAY

Ref.: NACE TM0497MEDICIÓNPotencial Estructura - Electrólito

El CSE es positivo respecto a la estructura

Voltaje de la estructura es negativo respecto al CSE

Caída de voltaje directa estructura - electrólito

Verificació n de criterios de la NACE RP 0169

Ref.: NACE TM0497MEDICIÓNPotencial Estructura - Electrólito

Decaimiento de la Polarización Formación de la Polarización

INSPECCIÓN

Técnica “Close Interval Survey” (CIS)La técnica CIS es un sistema de inspecció n desarrollado para el análisis de los niveles de protecció n cató dica en ductos subterráneos o sumergidos en toda su longitud con la asistencia de las estaciones de prueba permanentes. Para lograr los potenciales precisos, el técnico establece una conexió n eléctrica a la tubería por medio de un cable de salida conectado a estaciones de prueba. El alambre de cobre revestido se desenrolla de un carrete como el operador camina la longitud de la tubería de la tubería de potencial se mide con un conjunto de electrodos de referencia a nivel del suelo, colocada directamente sobre la tubería a intervalos de cada 3 - 5 pies. Mientras se recogen simultáneamente las coordenadas GPS juntos con los datos de potencial.

Técnica “Direct Current Voltage Gradient” (DCVG)La técnica de “Direct Current Voltaje Gradiente” (DCVG) es un sistema desarrollado para el análisis y localizació n de defectos de recubrimiento en tuberías subterráneas. La técnica se basa en la medició n de los gradientes de tensió n en el suelo por encima de una tubería cató dicamente protegida.

Ref.: NACE SP0207

Ref.: NACE TM0109

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CIS (Close Interval Survey)Estudio de campo por Intervalo Corto

Estudio de Punto Caliente

Close-Interval Potential Survey (CIPS)INSPECCIÓN Ref.: NACE SP0207

Estudio de Drenaje lateral


Dispersión

Dispersión

Potenciales On – Off vs la distancia


Dispersión

Dispersión

Potenciales On – Off vs la distancia

Close-Interval Potential Survey (CIPS) (also Close-Interval Survey [CIS])

INSPECCIÓN Ref.: NACE SP0207

Ref.: PDVSA PI 05-04-03

Ref.: PDVSA PI 05-04-03

INSPECCIÓNTécnica “Direct Current Voltage Gradient” (DCVG) Ref.: NACE TM0109

Medició n de Caida IR

INSPECCIÓN / MEDICIÓNMedició n Resistividad (4, 2 y 1 pin)

Ref.: Handbook of Cathodic Corrosion Protection.

INSPECCIÓN / MEDICIÓNRef.: ANSI/NACE SP0502 ASTM G-57

(Wenner)

aa aa aa

INSPECCIÓN / MEDICIÓN

(Laboratorio)

Caja de Suelo

Soil BoxSoil Box

Ref.: ANSI/NACE SP0502 ASTM G-57

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ENSAYO DE DESPRENDIMIENTO CATÓDICOEN REVESTIMIENTOS

Sistemas de Protección Catódica (día 3)

Engineering

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