FUNDAMENTOS PROTECCION CATODICA
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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
CRITERIOS DE PROTECCION CATODICA
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
CRITERIOS DE PROTECCION CATODICA
¤ 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
CRITERIOS DE PROTECCION CATODICA
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.
MONITOREO DE SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA
♣ 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
MONITOREO DE SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA
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
MONITOREO DE SISTEMAS DE PROTECCION CATODICA
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