CP 2–Cathodic Protection Technician Manual del Curso Enero 2010 © NACE International, 2006 Agradecimientos El tiempo y la experiencia de muchos miembros de NACE Internacional se han volcado en el desarrollo de este curso. Los autores del curso y los que han colaborado para hacer posible este trabajo agradecen su dedicación y esfuerzos. La meta, objetivos pedagógicos y criterios de rendimiento de este Curso fueron desarrollados por el Grupo de Trabajo Cathodic Protection Training and Certification Program, bajo el auspicio del NACE Certification and Education Committee. Un agradecimiento especial para los que se nombran a continuación. En nombre de NACE queremos agradecer a los siguientes miembros, que han sido vitales para el desarrollo y revisión de este programa: Buddy Hutson Steve Bean Joe C. Bowles, Jr. Raul Castillo David Edwards Gerry Garleiser Kevin Garrity Robert Gummow Brad J. Lewis Thomas H. Lewis Ed Ondak Larry Rankin John Schmidt David A. Schramm William H. Thomason Southern Cathodic Protection, Apopka, Florida Southern California Gas Company, Los Angeles, California Tellepsen Gas Pipeline Services, Houston, Texas Dow Chemical, Freeport, Texas Santa Fe Pipelines, Rocklin, California Exxon Co. USA, Houston, Texas CC Technologies, Dublin, Ohio CorrEng Consulting Service Inc., Downsview, Ontario Kinder Morgan Energy Partners L.P., Tucson, Arizona LORESCO, Inc., Hattiesburg, MS EJ Ondak Associates, Inc, Littleton, Colorado Corrpro Companies Inc., Houston, Texas Duke Energy, Houston, Texas ENEngineering, Woodridge, Illinois Conoco, Inc. Ponca City, Oklahoma Este grupo de miembros de NACE trabajó en estrecho contacto con las personas contratadas para desarrollar el curso, que fueron John Fitzgerald, John Wagner, and Walter Young of Corrpro Cos. Inc. Gran parte del material de los cursos fue extraído y depurado a través del tiempo por miembros entre los que se incluyen: Robert A. Gummow, (CorrEng, Downsview, Ontario), James R. Myers (JRM Associates, Franklin, Ohio), Frank Rizzo (FERA Corporation, Houston, Texas), Marilyn Lewis, P.E. (Lewis Engineering, Hattiesburg, MS), Larry Brandon (CorPre Tek, Inc., Hubbardston, MI) and James F. Jenkins, P.E. (Cambria, California). IMPORTANTE: Ni NACE Internacional, ni sus autoridades, directores o miembros aceptan responsabilidad alguna por el uso de los métodos y materiales aquí discutidos. El uso de materiales patentados y copyright no conlleva autorización alguna. La información tiene el fin de asesorar solamente. El uso de métodos y materiales queda bajo la exclusiva responsabilidad del usuario. La traducción de este Curso al idioma español ha sido autorizada por NACE Internacional. Traducción: María José Albaya. Supervisión: Ing.Héctor C.Albaya, NACE Argentina Buenos Aires, Revisado Julio 2008 Todos los derechos reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial de este documento, por cualquier medio, sin la expresa autorización del propietario del copyright. CP 2 – CATHODIC PROTECTION TECHNICIAN MANUAL DEL CURSO TABLA DE CONTENIDOS Información General Plan del Curso Introducción Solicitud de Inscripción para el Curso CP1 – Cathodic Protection Tester Sección 1 Capítulo 1 – Teoría de la Corrosión La Celda de Corrosión ...................................................................................... 1 Fuerza Impulsora de la Corrosión ................................................................ 3 Voltaje ........................................................................................................ 3 Metal .......................................................................................................... 3 Electrolito .................................................................................................... 10 Velocidad de Corrosión .................................................................................. 14 Ley de Faraday ........................................................................................... 14 Diferencia de Potencial ............................................................................... 15 Electrodos de Referencia (Hemi-celdas) .................................................... 16 Polarización ................................................................................................. 23 Caída Óhmica.......................................................................................... 27 Factores que Afectan la Polarización...................................................... 28 Pasivación ................................................................................................... 32 Pasivante vs. No-pasivante ..................................................................... 32 Formas de Corrosión ...................................................................................... 34 Experimento 1.1 .............................................................................................. 37 Investigar los Cambios en el Funcionamiento de una Celda de Corrosión con Respecto a los Cambios en el Electrolito ....................................................... 37 Ejercicio 1.1 Resistencias e Instrumentos...................................................... 39 CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2000 1/2010 Sección 2 Capítulo 2 - Fundamentos de Protección Catódica El Concepto de Protección Catódica ................................................................ 1 Polarización de una Estructura......................................................................... 2 Requerimientos de Corriente............................................................................ 6 Superficie ...................................................................................................... 6 Polarización ................................................................................................... 7 Efecto del pH del Medio en el Requerimiento de Corriente ......................... 7 Efecto de la Temperatura en el Requerimiento de Corriente ....................... 9 Efecto de los Oxidantes en el Requerimiento de Corriente ....................... 10 Efecto del Movimiento Relativo entre Estructura y Electrolito en los Requerimientos de Corriente ...................................................................... 11 Corriente Aplicada vs. Velocidad de Corrosión .......................................... 12 Criterios de Protección Catódica .................................................................... 15 Criterios en la SP0169 ................................................................................ 16 Fundamento de los Criterios SP0169 ......................................................... 16 Potencial Polarizado ................................................................................... 19 Aplicación de los Criterios ........................................................................... 22 Otros Criterios ............................................................................................. 23 International Standard ISO 15589-1 ............................................................... 26 American Water Works Association (AWWA) ................................................ 27 Criterios Internacionales de Otras Asociaciones............................................ 27 E log i .............................................................................................................. 29 Sección 3 Capítulo 3 - Sistemas de Protección Catódica Componentes de un sistema de Protección Catódica Galvánica .................... 1 Ánodos .......................................................................................................... 1 Relleno Anódico ............................................................................................ 6 Cableado y Conexiones ................................................................................ 7 Componentes de Protección Catódica por Corriente Impresa ........................ 7 Aplicaciones de la Protección Catódica por Corriente Impresa ................... 8 Ánodos .......................................................................................................... 9 Relleno Anódico .......................................................................................... 11 Fuentes de Energía..................................................................................... 12 Cableado y Conexiones .............................................................................. 12 Aspectos Ambientales .................................................................................... 14 Disposición de los Ánodos ............................................................................. 15 Galvánicos .................................................................................................. 19 Corriente Impresa ....................................................................................... 19 CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2000 1/2010 Experimento 3-1 Demostrar el Uso de un Ánodo de Sacrificio para Mitigar la Corrosión en una Celda de Acción Localizada .............................................. 21 Experimento 3-2 (Opcional al Experimento 3.1.) ........................................... 26 Demostrar el Uso de un Sistema de Corriente Impresa para Mitigar la Corrosión de una Celda de Acción Localizada .............................................. 26 Sección 4 Capítulo 4 - Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica Transformador-Rectificador .............................................................................. 1 Interruptores del Circuito (Circuit Breakers) ................................................. 2 Circuitos de Rectificación.............................................................................. 6 Circuitos tipo Puente ................................................................................. 6 Circuitos de Conexión Central (Center Tap) ........................................... 11 Rectificadores Controlados por Diodos de Silicio (SCR) ........................ 12 Rectificadores Modo Switching (Switching-Mode Rectifiers) .................. 16 Rectificadores de Pulsos ......................................................................... 17 Modos de Operación ............................................................................... 18 Otros Componentes del Rectificador ...................................................... 21 Otras Fuentes de Energía .............................................................................. 22 Motogeneradores ........................................................................................ 22 Generadores Termoeléctricos (TEG) ......................................................... 23 Fuente de Energía Solar ............................................................................. 24 Generadores Eólicos................................................................................... 26 Baterías ....................................................................................................... 27 Celdas de Combustible (Fuel Cells) ........................................................... 29 Prueba de Rectificadores ............................................................................... 30 Diagramas de Circuito ................................................................................ 36 Daño Eléctrico ............................................................................................. 36 Medición de la Eficiencia ............................................................................ 36 Filtros........................................................................................................... 37 Detección de Roturas de Cables ................................................................ 38 Medición de Transformadores y Diodos ..................................................... 38 Sección 5 Capítulo 5 - Seguridad Introducción ...................................................................................................... 1 Electricidad ....................................................................................................... 3 Equipos Eléctricos (Rectificadores) .................................................................. 3 Gabinete del Equipo Eléctrico (Rectificador) ................................................ 3 Rectificadores de Protección Catódica (PC) ................................................ 4 Cancelar/Rotular (Lock Out/Tag Out) ............................................................... 5 CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2000 1/2010 Zonas de Riesgo Eléctrico ................................................................................ 6 Explosiones o Igniciones .................................................................................. 6 Relevamientos de Protección Catódica ........................................................... 7 Tensión Inducida .............................................................................................. 8 Excavaciones .................................................................................................... 9 Materiales Peligrosos ..................................................................................... 10 Planillas de Datos de Seguridad para el manipuleo de Materiales (Material Safety Data Sheets - MSDS) .......................................................................... 10 Productos de Reacción .................................................................................. 11 Otras Precauciones ........................................................................................ 11 Sección 6 Capítulo 6 - Mediciones de Campo General ............................................................................................................. 1 Medición de la Efectividad de la Protección Catódica ..................................... 1 Potenciales Estructura a Electrolito .................................................................. 2 El Circuito de Medición del Potencial y el Error en la Medición ................... 3 Errores de Caídas de Potencial en la Medición del Potencial Debido al Flujo de Corriente en la Tubería ................................................................. 10 Determinación y Corrección del error por caída IR (Caída Ohmica).......... 10 Interrupción de la Corriente ..................................................................... 11 Electrodo de Referencia Cercano a la Estructura................................... 16 Cupones Externos de Protección Catódica ............................................ 17 Electrodo de Referencia en Terreno Remoto ......................................... 20 Reducción de la Corriente Por Etapas (Stepwise).................................. 21 Relevamiento de Potenciales a Intervalos Cortos ...................................... 25 Análisis de Relevamientos de Potenciales Sobre la Superficie ................. 27 Relevamientos sobre Estructuras con Protección Catódica ................... 27 Relevamientos Laterales sobre la Superficie .......................................... 30 Medición de Corriente..................................................................................... 31 Uso de un Amperímetro para la Medición de Corriente ............................. 31 Utilización de un Shunt para Determinar la Magnitud de la Corriente ....... 33 Amperímetro de Resistencia Cero .............................................................. 34 Pinza Amperométrica (Amperímetro de Gancho) ...................................... 35 Medición de Corriente en Tuberías ............................................................ 37 Aplicaciones ............................................................................................ 37 Uso de una Pinza Amperométrica .......................................................... 37 Ensayo de 2 Conductores para Medir la Corriente en la Línea .............. 37 Ensayo de 4 Conductores para Medir la Corriente en la Línea .............. 40 Mediciones de corriente en el terreno (Ver también Capítulo 7) ................ 42 Estructuras Sin Protección Catódica .......................................................... 43 Técnicas de Evaluación del Recubrimiento en Tuberías Enterradas ............ 46 Relevamiento Pearson ................................................................................ 46 Releamiento de Gradiente de Voltaje de Corriente Continua (Direct Current Voltage Gradient - DCVG) .......................................................................... 49 CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2000 1/2010 Mapeo de Corriente en la Tubería .............................................................. 53 Cálculos de Resistencia del Recubrimiento ............................................... 54 Ensayos de Requerimiento de Corriente ....................................................... 57 Aislación Eléctrica........................................................................................... 60 Identificación de problemas ....................................................................... 60 Localizar el Problema ................................................................................. 60 Uso de un Localizador de Tuberías/Cables ............................................ 60 Ensayando las Uniones Aislantes Sobre Nivel ........................................... 62 Potencial Estructura-Electrolito ................................................................... 63 Potencial ON-OFF Estructura-Electrolito .................................................... 64 Corriente Continua Medida en la Línea ...................................................... 65 Celda Fija a Contacto Móvil ........................................................................ 66 Respuesta a una Inyección de Corriente.................................................... 66 Tubos Camisa (Casing) .................................................................................. 67 Identificar Problemas .................................................................................. 68 Localizar el Problema ................................................................................. 68 Mediciones de Resistividad de Suelos ........................................................... 72 Objetivos ..................................................................................................... 72 Técnicas de Medición ................................................................................. 72 Medición del pH .............................................................................................. 81 Estructuras de Hormigón ................................................................................ 81 Inspección Directa .......................................................................................... 83 Frecuencia de Fallas ó Pérdidas .................................................................... 83 Inspección Interna (ILI Internal Line Inspection) ............................................ 84 Sección 7 Capítulo 7 - Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC Corrientes Vagabundas o Parásitas ................................................................. 1 Corrientes Dinámicas ....................................................................................... 2 Fuentes de Corrientes Vagabundas Dinámicas ........................................... 2 Corrientes Naturales (Telúricas) ................................................................... 4 Detección de Corrientes Vagabundas Dinámicas ........................................ 4 Registro Continuo de Datos .......................................................................... 6 Encontrando la Fuente de la Corriente vagabunda ...................................... 7 Corrientes de Estado Estacionario (Estáticas) ................................................. 7 Interferencia Catódica....................................................................................... 8 Interferencia Anódica .................................................................................... 9 Muestra de Datos de Campo.......................................................................... 13 Potenciales Estructura a Electrolito ............................................................ 13 Mediciones de Corriente ............................................................................. 14 Resolución de Problemas de Interferencia .................................................... 15 Instalación de Uniones Metálicas para Controlar la Interferencia .............. 16 Controlando la Dirección de la Corriente Vagabunda a través de la Unión .. 20 Control de Corrientes de Interferencia con Protección Catódica ................... 21 CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2000 1/2010 Recubrimiento ................................................................................................. 21 Medición y Mitigación de AC .......................................................................... 22 Introducción ................................................................................................. 22 Acoplamiento Electrostático o Capacitivo................................................... 24 Inducción Electromagnética ........................................................................ 24 Acoplamiento Resistivo ............................................................................... 26 Potenciales AC en Tuberías ....................................................................... 27 Medición del Potencial AC referido a Tierra. .............................................. 27 Mitigación de la Interferencia AC ................................................................ 28 Sección 8 Capítulo 8 - Monitoreo y Registros Objetivos Principales de un Sistema de Protección Catódica ......................... 1 Monitoreo .......................................................................................................... 1 Relevamiento de Campo Detallado .................................................................. 2 Planificación Previa al Relevamiento ............................................................ 2 Métodos para el Relevamiento ..................................................................... 4 Mediciones de Rutina ................................................................................... 6 Ánodos de Sacrificio (Galvánicos) ................................................................ 7 Intervalo entre Inspecciones ......................................................................... 8 Registros ..................................................................................................... 10 Registros para Fines Técnicos ................................................................ 11 Registros para Fines Históricos .............................................................. 11 Registros para Fines Legales.................................................................. 12 Planillas de Datos de Campo .................................................................. 12 Registros en Computadora e Informes ................................................... 13 Mapas de Instalación y Documentación ................................................. 13 Registros de Información Relacionada ................................................... 14 Almacenamiento ...................................................................................... 14 Requerimientos Regulatorios para los Registros .................................... 15 Información Útil ............................................................................................... 16 Sección 9 – Apéndices Electricidad Básica - Revisión Química y Electroquímica Básica - Revisión Instrumentos de Medición - Revisión Glosario de Términos CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2000 1/2010 “Factors Affecting the Accuracy of Reference Electrodes”, Frank Ansuini and James R. Dimond, Materials Performance, November, 1994 (NACE International, Houston, TX). “A Guide to Understanding Electrode Readings”, Robert M. Park, Materials Performance, September, 2009 ((NACE International, Houston, TX). SP0169 “Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems” RP0285 “Corrosion Control of Underground Storage Tank Systems by Cathodic Protection” SP0176 “Corrosion Control of Steel Fixed Offshore Platforms Associated with Petroleum Production” SP0388 “Impressed Current Cathodic Protection of Internal Submerged Surfaces of Steel Water Storage Tanks” SP0177 “Mitigation of Alternating Current and Lightning Effects on Metallic Structures and Corrosion Control Systems” SP0575 “Internal Cathodic Protection Systems in Oil Treating Vessels” RP0193 “External Cathodic Protection of On-Grade Metallic Storage Tank Bottoms” RP0196 “Galvanic Anode Cathodic Protection of Internal Submerged Surfaces of Steel Water Storage Tanks” SP0290 “Impressed Current Cathodic Protection of Reinforcing Steel in Atmospherically Exposed Concrete Structures” SP0200 “Steel Cased Pipeline Practices” TM0497 “Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection on Underground or Submerged Metallic Piping Systems” TM0101 “Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection on Underground or Submerged Metallic Storage Tanks” TM0102 “Measurement of Protective Coating Electrical Conductance on Underground Pipelines” MSDS Sheet for Copper Sulfate Pentahydrate CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2000 1/2010 Instrucciones para Completar la Planilla de Puntaje/Planilla de Matriculación de Estudiante ParSCORETM 1. Use un lápiz Número 2 2. Complete toda la información siguiente y los círculos correspondientes para cada categoría: √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ Número de ID. TELÉFONO: ID de Estudiante, ID de NACE o ID Temporal que fue provisto. Su número telefónico. Los últimos cuatro dígitos de este número serán su contraseña para acceder a sus calificaciones vía internet. (por precaución as su privacidad, usted puede elegir cuatro dígitos diferentes para usar en este espacio) APELLIDO: Su apellido. NOMBRE: Su nombre (nombre por el cual lo(a) llaman) I.M.: Inicial media (si la tiene) FORM. EXAMEN: Ésta es la versión del examen que está presentando TEMA: Ésta es la versión del examen que está presentando NOMBRE: _________________(su nombre completo) Materia: _____________(ingrese el tipo de examen que está presentando, por ej., CP Nivel 1) FECHA: ___________________(fecha del examen que está presentando) 3. La siguiente sección del formulario (1 a 200) es para las respuestas a las preguntas de su examen. • Todas las respuestas DEBEN ser rellenadas en los círculos de la Planilla de TM Puntaje ParSCORE Las respuestas anotadas en el examen NO se contarán. • Si cambia una respuesta en la planilla ParSCORETM, asegúrese de borrarla por completo. • Solo marque un círculo indicando su respuesta por cada pregunta y no llene más respuestas de las que contiene el examen. INSTRUCCIONES POR INTERNET PARA ACCEDER A LAS CALIFICACIONES NACE tiene la política de no revelar las calificaciones de los estudiantes por teléfono, correo electrónico o fax. Los estudiantes recibirán una carta con su calificación, por correo normal o a través de un representante de la compañía, aproximadamente de 6 a 8 semanas después de haber concluido el curso. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los estudiantes pueden acceder a sus calificaciones a través de la página web de NACE de 7 a 10 días después de que la Oficina Central de NACE haya recibido los exámenes. Instrucciones para acceder a sus calificaciones en la página web de NACE: Visite: www.nace.org Seleccione: Education Grades Access Scores Online Elija el Número de ID de su Curso (Ejemplo 07C44222 o 42407002) en el menú desplegable. Ingrese su ID de Estudiante o ID Temporal de Estudiante (Ejemplo 123456 o 4240700217)*. Ingrese su Contraseña de 4 dígitos (Normalmente, los últimos cuatro dígitos del número telefónico que ingresó en la planilla del examen) Presione el botón Search Use el espacio siguiente para anotar la información correspondiente a su curso y a su ID de estudiante: ID de ESTUDIANTE__________________CÓDIGO DEL CURSO_________________ CONTRASEÑA (Sólo Cuatro Dígitos) ___________________ *Tome nota que el ID de Estudiante de los miembros de NACE será el mismo que su número de miembro de NACE, a menos de que se le haya asignado un número de ID Temporal de Estudiante para este curso. Para los que se registren directamente a través de la Oficina Central de NACE, el ID de Estudiante aparecerá en la planilla de confirmación del curso, en la lista de estudiantes que tiene el instructor y/o en la tarjeta de identificación con el nombre del estudiante. A los que se registren en cursos In-House, de Concesionarios o de Secciones de NACE, se les asignará un ID Temporal para el curso, con el propósito de que puedan tener acceso a sus calificaciones vía internet. En el caso de los cursos In-House, la información no estará disponible en la página web hasta que recibamos el pago de la compañía organizadora. Al concluir el curso, información con respecto al envío de sus resultados estará disponible en la página web. La tramitación de sus resultados iniciará en cuanto La Oficina Central de NACE reciba sus documentos. Cuando los resultados estén en proceso, la columna de “Status” indicará “Processing”. En cuanto los resultados sean enviados por correo, el estatus será actualizado e indicará “Mailed” y también la fecha de cuando se mandó su carta de resultados será puesta en la última columna. Los cursos están por orden de fecha. Para saber el estatus sobre el envío de su carta de resultados conéctese al siguiente enlace: http://web.nace.org/Departments/Education/Grades/GradeStatus.aspx Si no ha recibido sus resultados dentro de 2 a 3 semanas después de que la página web indicó la fecha de envío o “Mailed Date” (seria 6 semanas para los que se ubican internacionalmente), o si está teniendo dificultades con el acceso a sus calificaciones vía internet, puede contactarnos en GradeQuestions@nace.org. NACE COATINGS NETWORK (NCN) NACE ha creado la Red de Recubrimientos de NACE, un foro electrónico gratuito y abierto al público. Facilita la comunicación entre profesionales que trabajan en todas los aspectos de la prevención y control de la corrosión. Si se suscribe a la Red de Recubrimientos de NACE, usted será parte de un foro de discusión abierto por E-mail, sobre temas de la A a la Z en la industria de los recubrimientos. ¿Tiene una pregunta? Pregunte. ¿Tiene la respuesta? ¡Compártala! Algunas veces estas discusiones serán preguntas aisladas, y otras veces habrá debates. ¿Qué necesita para asociarse? Una dirección de E-mail. ¡Eso es todo! Luego: 1. Para Suscribirse, envíe un e-mail en blanco a: Join-coatings@nacecorrosionnetwork.com Para Desuscribirse, envíe un e-mail en blanco a: Leave-coatings@nacecorrosionnetwork.com 3. ¡Listo! Usted recibirá un e-mail de respuesta explicándole cómo participar, pero es tan fácil que podrá hacerlo sin ninguna ayuda. CP 2–Cathodic Protection Technician Plan del Curso PRIMER DÍA Presentación, Bienvenida, Resumen Capítulo 1 Teoría de la Corrosión SEGUNDO DÍA Capítulo 2 Fundamentos de Protección Catódica Capítulo 3 Sistemas de Protección Catódica Capítulo 4 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica TERCER DÍA Capítulo 4 Capítulo 5 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica (continuación) Seguridad Capítulo 6 Mediciones de Campo Introducción a las Estaciones de Medición de Interior Práctica con Estaciones de Medición de Interior CUARTO DÍA Programa de Ejercicios al Aire Libre (si el clima lo permite) Capítulo 7 Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC Práctica con Estaciones de Medición de Interior QUINTO DÍA Capítulo 8 Monitoreo y Registro de Datos Práctica con Estaciones de Medición de Interior con Tiempo Pautado Repaso del Curso SEXTO DÍA Exámenes Escrito y Práctico CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2000 7/2008 Introduction 1 El Curso La corrosión es uno de los problemas más importantes con los que se encuentran los propietarios y operadores de estructuras metálicas enterradas, offshore, sumergidas y otras, en contacto directo con un electrolito. Si la corrosión no se controla, esto puede derivar en grandes costos de reparación o reemplazo de partes. Pero se podría incurrir en un costo todavía mayor debido a daños al medio ambiente o accidentes fatales. El personal encargado de controlar la corrosión debe tener una buena comprensión acerca de los mecanismos de la corrosión. También es necesario que conozcan las condiciones en que puede haber corrosión en instalaciones subterráneas. EL curso de capacitación CP 2–Cathodic Protection Technician es el segundo curso de los 4 niveles del Programa de Capacitación y Certificación en Protección Catódica de NACE. Este curso concentrará el enfoque en los temas de: teoría de la corrosión, principios y sistemas de protección catódica, ensayos de campo avanzados y recolección de datos. Audiencia (Quién Debería Concurrir) Este curso está diseñado para personas que tengan una importante formación científica o de ingeniería y alguna experiencia laboral relacionada con la protección catódica, o bien que tengan varios años de experiencia de campo y alguna formación técnica. Requisitos Para asistir a este curso, los estudiantes deben cumplir con los siguientes requisitos: Alternativa 1: ¾ 3 años de experiencia laboral en protección catódica ¾ Título secundario o equivalente ¾ Certificación como CP 1–Cathodic Protection Tester o equivalente Alternativa 2: ¾ 1 año de experiencia laboral en protección catódica CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2000 1/2010 Introduction 2 ¾ Título de 4 años de física o ingeniería ¾ Certificación como CP 1–Cathodic Protection Tester o equivalente Alternativa 3: ¾ 2 años de capacitación terciaria matemática o científica en una institución técnica/comercial oficial ¾ 2 años de experiencia laboral en protección catódica ¾ Certificación como CP 1–Cathodic Protection Tester o equivalente Duración El curso comenzará el dia lunes a las 8 PM hasta el sábado a la 1 PM. Bibliografía Los estudiantes recibirán el libro de referencia a La Corrosión de Tuberías y Protección Catódica, Tercera Edición. Experimentos A lo largo de la semana, se efectuarán algunos trabajos prácticos que ayudarán a ilustrar y reforzar los principios teóricos discutidos en clase. PRECAUCIÓN: Los estudiantes deben entender que estos trabajos prácticos son ejecutados bajo condiciones controladas; las condiciones reales pueden variar. Ensayos de Campo Los estudiantes participarán en una actividad en un sitio implementado a tal efecto, siempre que el clima lo permita. Esta actividad está pensada para simular condiciones reales de trabajo en el terreno, que los estudiantes pueden encontrar en su trabajo. Los estudiantes realizarán ensayos y recolección de datos. Cuestionarios y Exámenes Habrá diversos cuestionarios distribuidos a lo largo de la semana, que serán revisados y discutidos en clase con el instructor. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2000 1/2010 Introduction 3 El curso CP 2–Cathodic Protection Technician tiene exámenes finales tanto escritos como prácticos. Los exámenes finales tendrán lugar el día sábado. El examen escrito consta de 100 preguntas del tipo “multiple choice”. El examen es a libro abierto y se permitirá que los estudiantes traigan sus propios apuntes y material de referencia. El examen práctico es a libro cerrado. Para completar el curso y obtener la certificación, se requerirá un mínimo de respuestas correctas equivalentes al 70% del total, tanto en el examen escrito como en el práctico. Todas las preguntas estarán basadas en conceptos vertidos en el presente Manual y discutidos en clase. Las calculadoras operadas con baterías, silenciosas, sin posibilidad de impresión y/o comunicación, incluyéndose calculadoras con teclado alfanumérico son permitidas durante el examen. No podrán usarse computadores de ningún tipo ni dispositivos con teclado similar al de una máquina de escribir, incluyendo palmtop, laptop, notebook, y computadoras de mesa. Tampoco podrán utilizarse durante el examen equipos de comunicación tales como pagers, teléfonos celulares, ni tampoco cámaras fotográficas o de video. Certificación El formulario de inscripción para la Certificación deberá ser completado y entregado a NACE antes del examen final. La Certificación como Cathodic Protection Technician será entregada a cada participante, una vez cumplimentada la entrega del formulario de inscripción y la aprobación del examen final tanto teórico como práctico. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2000 1/2010 CAPITULO 1 Teoría de la Corrosión La Celda de Corrosión La corrosión es un proceso electroquímico en el cual tiene lugar un flujo de electrones e iones. La pérdida de metal (corrosión) tiene lugar en el ánodo. En el cátodo no hay pérdida de metal (el cátodo está protegido). La corrosión electroquímica implica la transferencia de electrones a través de interfases metal/electrolito. La corrosión tiene lugar dentro de una celda de corrosión, la cual consta de cuatro partes: • • • • Ánodo Cátodo Electrolito Conexión o camino metálico Los electrones generados por la formación de iones metálicos en el ánodo, pasan a través del camino electrónico hasta la superficie de las áreas catódicas inmersas en el electrolito. Al reaccionar con los iones positivos presentes en el electrolito, restauran el equilibrio eléctrico del sistema. Examinando la Figura 1.1, analicemos el proceso de corrosión para una única celda de corrosión, que consiste en un único ánodo y un único cátodo sobre la misma superficie metálica en contacto con agua. El metal suministra el ánodo, el cátodo y el paso electrónico de la celda de corrosión. El agua suministra el electrolito para completar la celda de corrosión. El electrolito está ionizado, por lo que hay iones hidrógeno (H+) y oxhidrilos (OH–) presentes en pequeñas cantidades (10-7 moles/litro). Los iones metálicos abandonan la superficie anódica e ingresan al electrolito, desprendiéndose de sus electrones que circulan por el paso metálico hacia la superficie catódica. En la superficie catódica, los electrones provenientes del ánodo encuentran iones hidrógeno provenientes de la solución. Un ion hidrógeno acepta un electrón y se convierte en un átomo de hidrógeno. El átomo de hidrógeno puede combinarse con otro átomo de hidrógeno para formar una molécula de gas hidrógeno, que puede permanecer en la superficie catódica o ser liberada en forma de burbuja. En algunos casos, el CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 CAPITULO 1 Teoria de la Corrosión átomo de hidrógeno puede ingresar en la estructura cristalina lo que resulta en la fragilización por hidrógeno del metal (este punto será analizado en “Fracturas Debidas al Medio”). Vista Microscópica SITIO CATODICO ee- eH+ H H ee- + H H2 H+ H+ H+ e- H+ H+ SITIO ANODICO e- e ee - e- Fe ++ Fe ++ ++ Fe Fe ++ OH Fe ++ OH Fe ++ OHFe(OH) 2 Fe(OH) 2 Fe(OH) 2 Figura 1.1 Una Única Celda Microscópica de Corrosión Entretanto, los iones metálicos se combinan con los oxhidrilos en el electrolito para formar hidróxidos del metal, u oxido, que se precipita sobre la superficie metálica. A medida que este proceso continúa, la oxidación (corrosión) del metal tiene lugar en las superficies anódicas y la reducción de iones hidrógeno ocurre en los cátodos. La pila seca de grafito-zinc, que se muestra en la Figura 1.2, se usa a menudo a manera de ejemplo de una celda de corrosión. Como se ve en la Figura, el zinc (ánodo) esta conectado eléctricamente a través de una carga externa a la varilla de carbón (cátodo) en presencia de un electrolito corrosivo. Cuando están conectados eléctricamente, la celda de corrosión esta completa, con la reacción anódica en el zinc y la reacción catódica en el electrodo de carbón. La batería se vacía o descarga a medida que se consume el zinc. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:3 Camisa Protectora Sello Bituminoso Espacio vacio Pasta electrolítica (cloruro de amonio y cloruro de zinc) Mezcla Carbón MnO2 Separador del Zinc de y Barra de Carbón Terminal negativo Figura 1.2 Batería de Grafito - Zinc Recuerde: El término “oxidación” no esta necesariamente vinculado al oxigeno. Fuerza Impulsora de la Corrosión Voltaje La corrosión implica un proceso en el cual una carga eléctrica circula desde una superficie metálica, un ánodo, hacia el electrolito y desde el electrolito hacia una segunda superficie metálica, un cátodo. La pregunta siguiente seria: ¿Qué es lo que hace que la corriente circule? El voltaje es la medida de la diferencia electroquímica entre dos electrodos que comparten un electrolito. Un metal inmerso en un electrolito se corroerá y manifestará lo que se conoce como potencial de electrodo. El potencial de electrodo representa el trabajo reversible necesario para mover una unidad de carga desde la superficie del electrodo a través de la solución hasta el electrodo de referencia. Equivale a la diferencia de potencial entre dos puntos en donde 1 coulomb de electricidad realizará 1 joule de trabajo al moverse desde un punto al otro. El potencial de electrodo se mide en relación a una celda de referencia standard. Metal El propio metal puede ser una fuente para el voltaje impulsor de una celda de corrosión. Puede generarse una diferencia de potencial debida a variaciones en: la Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:4 estructura de grano de un metal, la composición formada durante la aleación, temperatura o deformación de un único metal desarrolladas durante la fabricación. En la naturaleza, los metales se hallan en forma de varios compuestos químicos conocidos como piritas. Una vez que la pirita se extrae en una mina, se extrae el compuesto metálico de la pirita y se lo refina para conseguir un estado casi puro del metal. Para transformar las piritas en metales útiles se emplean varios procesos – mecánicos, químicos y eléctricos. Más allá del proceso utilizado, el metal absorbe energía durante la transformación. La cantidad de energía requerida por un metal durante el proceso de refinación determina el voltaje o estado activo del metal. El voltaje es relativamente elevado para metales como el magnesio, aluminio e hierro, y relativamente bajo para metales como cobre y plata. Cuanto mayor sea la energía, más activo será el metal y más tendencia tendrá a corroerse. Se muestra a continuación el ciclo típico del hierro. La pirita de hierro más común, la hematita, es un óxido de hierro (Fe2O3). El producto de corrosión más común del hierro, el óxido, tiene la misma composición química. La energía requerida para convertir una pirita de hierro en hierro metálico es “devuelta” cuando el hierro se corroe y forma el óxido. OXIDO DE HIERRO ALTO HORNO BESSEMER CAÑERIA DE ACERO LAMINADORA PROCESO DE REFINACION PROCESO DE CORROSION CAÑERIA QUE SE CORROE OXIDO DE HIERRO Figura 1.3 Proceso de Refinación del Acero La Figura 1.3 muestra los procesos de refinación y corrosión para el hierro y el acero. El hierro se halla siempre en estado oxidado. Se extrae de la tierra en forma de pirita. Se usa energía para convertir este óxido de hierro en hierro y acero. Se lo carga en un alto horno en el que la energía calórica elimina el oxígeno, dejando Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:5 atrás el hierro elemental. Luego se lo alea con otros materiales y se lo carga en un horno de Bessemer. Finalmente, se lo lamina para formar tubos, refuerzos para concreto (rebar) o formas estructurales. Cuando el hierro entra en contacto con un electrolito, como la tierra o el hormigón, tiene lugar la corrosión. En el proceso de corrosión se pierde energía y el hierro se combina con el oxígeno para formar óxido de hierro. Este producto de corrosión, el óxido, es idéntico al óxido de hierro extraído de la tierra. El hierro se considera termodinámicamente inestable; en el medio apropiado, el hierro se corroerá fácilmente para volver a un estado de menor energía, como el óxido. SERIE DE FUERZAS ELECTROMOTRICES / GALVANICAS La diferencia de potencial entre metales expuestos a soluciones que contienen los respectivos iones con una concentración unitaria (actividad unitaria) se representa en la serie Standard de fem (fuerza electromotriz) de la Tabla 1.1. En esta serie, los metales se disponen desde el más noble (por ej., oro) hasta el más activo, por ejemplo el magnesio Tabla 1.1 Serie Parcial de fem de Metales Hemi-celda Metal Au/Au+++ Pt/Pt++ Cu/Cu++ H2/2H+ Pb/Pb++ Ni/Ni++ Fe/Fe++ Zn/Zn++ Al/Al+++ Mg/Mg++ Oro Platino Cobre Hidrógeno Plomo Níquel Hierro Zinc Aluminio Magnesio Potencial del Electrodo Standard Eo (voltios) vs. SHE* +1.498 +1.200 +0.345 0.000 –0.126 –0.250 –0.440 –0.763 –1.662 –2.363 *Electrodo de Hidrógeno Standard Cuando se colocan dos electrodos en el electrolito, en cada uno ocurrirán reacciones electroquímicas. Si, por ejemplo, un electrodo es cobre y el otro zinc, cada uno se corroerá exhibiendo un potencial de electrodo (medido en relación a un electrodo de referencia). El potencial entre los dos electrodos, también llamado fuerza electromotriz (fem), es igual en signo y magnitud al potencial de electrodo del ánodo menos el potencial de electrodo del cátodo. Esta fem o voltaje entre los dos electrodos es la fuerza impulsora para la corrosión electroquímica. Nótese que la fem de una celda de corrosión no necesariamente es predecible a partir de la serie Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:6 de fem Standard porque (1) la serie fem se confecciona en base a condiciones ambientales normalizadas, y (2) los metales se polarizan al conectarlos entre sí y esto afecta el voltaje entre ellos. Si hay un paso metálico que conecta los dos electrodos, la diferencia de potencial hará que circule una corriente entre ellos (Figura 1.4). La corriente es la transferencia neta de carga eléctrica por unidad de tiempo. Paso Metalico e- (+ iones) ions) ? A (- iones) ions) C Paso Electrolytic Path Electrolítico Figura 1.4 Circulación de Cargas en una Celda de Corrosión Electroquímica Al conectar eléctricamente dos metales diferentes en un electrolito común, el metal más activo tenderá a convertirse en el ánodo de la celda de corrosión. La serie de fem standard es una forma de alinear los metales según su tendencia a corroerse. La serie fem Standard tiene sus limitaciones, como se señaló más arriba. Un método más útil de ordenar los metales es la serie galvánica. Una serie galvánica se basa en el comportamiento de un metal en un determinado electrolito, y el electrolito usado más comúnmente es el agua de mar. La Tabla 1.2 muestra una serie galvánica parcial y empírica en agua de mar. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:7 Tabla 1.2 Serie Galvánica Empírica en Agua de Mar Metal Magnesio Zinc Aluminio Acero al Carbono Pulido Acero al Carbono Oxidado Hierro Dúctil/de Fundición Plomo Acero en Hormigón Cobre Hierro con Alto Contenido de Si Carbono, Grafito Voltios vs. Cu-CuSO4 Extremo Activo o Anódico –1.60 a –1.75 –1.10 –1.05 –0.50 a –0.80 Voltios vs. Ag-AgCl Extremo Activo o Anódico –1.55 a –1.70 –1.05 –1.00 –0.45 a –0.75 –0.20 a –0.50 –.015 a –0.45 –0.50 –0.45 –0.50 –0.20 –0.20 –0.20 –0.45 –0.15 –0.15 –0.15 +0.30 Extremo Noble o Catódico +0.35 Extremo Noble o Catódico Ecuación de Nernst La Ecuación de Nernst expresa la fuerza electromotriz exacta de una celda, en función de las actividades de los productos y reactivos de la celda. E = E0 + [ ] ⎛ a + ne ⎞ RT ln ⎜⎜ M ⎟⎟ nF ⎝ [aM ] ⎠ Ec. 1-1 donde: Eo E a M+ ne aM R T n F = Potencial de electrodo de la hemi-celda en estado standard = Potencial de electrodo en la solución actual = Actividad de los iones metálicos en solución = Actividad del metal ( a M = 1 para el metal puro) = Constante universal de los gases = 8.31431 joules, °k–1, mol–1 = Temperatura absoluta (K) = 298.2 °k = Número de electrones transferidos (equivalente/mol) = Constante de Faraday (96,500 Cb/equivalente) Esta ecuación demuestra que la concentración de iones metálicos en el electrolito afecta el potencial del electrodo. Los potenciales de metales que se listan en varias publicaciones están basados en condiciones específicas. Las condiciones Standard para los metales puros en la serie fem se basan en una actividad unitaria de los iones metálicos en el electrolito a 25°C, sin impurezas en el metal o el electrolito y en relación a un electrodo de hidrógeno standard. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:8 Muchas veces se simplifica la ecuación convirtiendo los logaritmos a base 10 multiplicando por 2.303. Entonces el coeficiente RT/F toma el valor de 0.0592 V, que se deriva de R=8.31431 joules, °K–1⋅mol–1, T=298.2 °K, F=96,500 C/equivalente. Entonces la Ecuación de Nernst se convierte en: E = E0 + ⎛ a + ne ⎞ 0.059 × log ⎜⎜ M ⎟⎟ n ⎝ aM ⎠ Ec. 1-2 Como ejemplo, calcularemos el potencial del zinc en una solución 0,01 molar de cloruro de zinc a 25 °C: Zn →Zn+2 + 2e– A partir de la Tabla 1.1, Eo = −0.763V vs. electrodo de hidrógeno standard n = 2 (ver Tabla 1.3.) En base a una tabla de coeficientes de actividad proveniente de manuales de ingeniería, γ M+ ne = 0.71 para el cloruro de zinc a una concentración de 0.01 molar. La actividad del zinc puro, a M = 1 0.059 ⎛ 0.71× 0.01 ⎞ × log ⎜ ⎟ 2 1 ⎠ ⎝ ∴E = –0.827 V E = −0.763 + Tabla 1.3 Valencia de Metales Comunes Metal Valencia Aluminio 3 Cobre 2 Cobre 1 Hierro 3 Hierro 2 Plomo 4 Plomo 2 Zinc 2 Más adelante en este curso, se llevarán a cabo varios experimentos que requieren la medición de potenciales de metales relativos a un electrodo de referencia de cobresulfato de cobre. Los resultados obtenidos podrán ser levemente diferentes de los datos que se obtienen a partir de tablas publicadas, debido a las diferencias en la concentración de iones entre la tabla y los experimentos. A mayor concentración de iones metálicos, menos activo (o más noble) será el metal. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:9 Diferencias de Temperatura En una celda por temperatura, el ánodo y el cátodo son del mismo metal, pero uno se mantiene a una temperatura mayor que el otro por medios externos. En la mayoría de los casos, el electrodo a mayor temperatura se convierte en el ánodo. Un ejemplo de este fenómeno es una línea de transmisión que sale de una estación de compresión. El gas recién comprimido está caliente y, a medida que avanza a lo largo de la línea, el tubo pierde calor transfiriéndolo al suelo adyacente (también pierde algo de calor por expansión). El tramo más caliente cercano al compresor será el ánodo; el tramo más frío a medida que nos alejamos de la estación será el cátodo; el suelo será el electrolito; y el propio tubo cierra el circuito de conexión. Este tipo de celda de corrosión es particularmente riesgosa ya que la elevada temperatura adyacente al compresor puede dañar el recubrimiento, así que la parte de la línea que actúa como ánodo tendrá probablemente la peor calidad de recubrimiento. Véase Figura 1.5. ESTACION COMPRESORA Gas Caliente ANODO CATODO Gas Frio FLUJO DE CORRIENTE Figura 1.5 Diferencia de Temperatura a lo Largo de una Estructura Metálica Los tubos camisa (well casings) en petróleo y gas también experimentan una ataque similar. El tubo camisa más profundo y alejado de la superficie está a mayor temperatura que el cercano a la superficie, y por lo tanto se convierte en el ánodo. (Este es un fenómeno natural: la temperatura aumenta con la profundidad.) El tubo más frío cercano a la superficie y las tuberías superficiales constituyen el cátodo. El suelo es el electrolito y el tubo camisa es la conexión. Nótese que esta celda opera en la misma dirección que la celda por concentración de oxígeno que será descripta más adelante en este capítulo. Ambas tienden a concentrar la corrosión en la porción más profunda del casing. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:10 Efecto de los Aleantes Durante el proceso de aleación, los bordes de grano pueden enriquecerse o reducirse en elementos específicos de la aleación. Estas diferencias en la composición de la aleación pueden causar corrosión intergranular. Otro problema de corrosión muy común en algunas aleaciones consiste en la disolución selectiva, corrosión del elemento de aleación más activo en la matriz, como la disolución selectiva del zinc en aleaciones de latón o la disolución selectiva del hierro en fundiciones de hierro. Electrolito Durante la fabricación de estructuras, los metales pueden experimentar variaciones en tensión. Las zonas de un metal sujetas a tensiones más elevadas tenderán a estar a niveles más elevados de energía, y serán por lo tanto más activas que las zonas con menores tensiones. También los procedimientos inapropiados de soldadura pueden ser responsables por la corrosión debida a la incompatibilidad de las varillas de soldadura o por sensibilizar el metal adyacente. Las celdas de corrosión pueden formarse debido a diferencias en el electrolito. Por ejemplo, cuando una estructura de un único metal atraviesa un electrolito compuesto de distintos tipos de suelos, distintas sustancias químicas, distintas concentraciones de una misma sustancia o variaciones de temperatura, la estructura puede experimentar diferencias de voltaje (véase Figura 1.6). Otro ejemplo podría ser una calzada de un puente de hormigón reforzado, donde la capa superior de acero de refuerzo está expuesta a la contaminación por sales. Entre la capa superior de acero, inmersa en hormigón con sales, y la capa inferior de acero de refuerzo en hormigón sin contaminar, se desarrolla una celda de corrosión macroscópica. Cátodo Anodo Cátodo Anodo Cátodo Figura 1.6 Celdas de Corrosión en Suelos Disímiles Si un electrolito es una solución salina diluida y otro es una solución salina concentrada, puede formarse una celda de corrosión, ya que uno de los factores que determinan el potencial de electrodo es la concentración del electrolito. Se forma Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:11 una celda similar cuando los dos electrolitos contienen sustancias disueltas completamente distintas. Celdas por Concentración Las celdas por concentración son responsables de gran parte de la corrosión en suelos. Las tuberías, por ejemplo, atraviesan diferentes suelos a lo largo de su traza. Los casings de pozos de petróleo y gas penetran estratos de suelo de diferentes composiciones. Siempre que hay diferentes suelos en contacto con un único metal, existe la posibilidad de que se forme una celda por concentración, especialmente en tubos desnudos o con un mal recubrimiento. En muchos casos, en suelos naturales, la porción de tubo que se encuentra en el suelo más conductor es el ánodo; la porción que atraviesa el suelo menos conductor, el cátodo. Los suelos húmedos actúan como electrolitos (en este caso, un electrolito compuesto) y el propio tubo es la conexión entre los sitios anódicos y catódicos. La corriente circula desde la zona anódica hacia el suelo, desde éste último hacia la zona catódica, y luego a lo largo de la tubería hacia la zona anódica, como muestra la Figura 1.7. Tipos de Celdas de Concentración En presencia de una sal simple, que no sea una sal del metal que compone los electrodos, el electrodo que se encuentra en la solución más concentrada puede funcionar como ánodo, como muestra la Figura 1.7. Cuando el electrolito contiene una sal del metal y no hay otras sales presentes, generalmente la superficie metálica que se encuentra en la solución diluida funcionará como ánodo. Suelo con Baja Concentración de Sales Disueltas Anodo Catodo Anodo Suelo con Alta Concentración de Sales Disueltas Di l d S lt Figura 1.7 Celda por Concentración de Iones Los dos tipos de celda por concentración más comunes en corrosión son las celdas por concentración de oxígeno y de iones metálicos. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:12 Celda por Concentración de Oxígeno El oxígeno es el despolarizante catódico más común. El contenido de oxigeno de cualquier electrolito se encuentra entre los factores que más influyen en la corrosión del hierro y muchos otros metales. El oxigeno puede mantener y promover una reacción catódica. Alta Concentración De Oxígeno (Cátodo) Baja Concentración De Oxígeno (Anodo) Ejem plo de Corrosión en Grietas Figura 1.8 Celda por Concentración de Oxígeno Las superficies en contacto con la solución que contiene una mayor concentración de oxigeno actuaran como cátodos, como muestra la Figura 1.8. Las celdas por concentración de oxigeno pueden existir en tuberías enterradas. Por ejemplo, el tubo generalmente se apoya en el suelo al fondo de la zanja sin ser perturbado. A ambos lados y en la parte superior del tubo hay relleno relativamente poco compacto que ha sido reemplazado en la zanja. Dado que este relleno es más permeable (que el suelo no perturbado) al oxigeno (y el camino es más corto) que difunde desde la superficie, se forma una celda. El ánodo es la superficie inferior del tubo, y el cátodo, el resto de la superficie del tubo. El electrolito es el suelo, y la conexión que cierra el circuito es el propio metal del tubo. Esto explica por qué la mayor parte de la corrosión en tuberías ocurre en la parte inferior de los tubos. Cuando el metal enterrado pasa por debajo de superficies pavimentadas, como la pista de un aeropuerto, un estacionamiento o una calle, como muestra la Figura 1.9, la porción de tubería que pasa por debajo del pavimento tiene menos acceso al oxígeno que el tubo en suelo sin pavimentar. Por lo tanto, se forma una celda: el ánodo es el metal que se encuentra debajo del pavimento; el cátodo es el metal fuera Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:13 del área pavimentada; el electrolito es el suelo; y la conexión que cierra el circuito es el propio metal. Si bien toda la sección de tubo debajo del pavimento es anódica, la mayor parte del ataque tendrá lugar cerca del borde del pavimento. Dado que el paso a través del electrolito es más corto en esta parte, la mayor parte de la corriente toma este camino de menor resistencia. (Otra razón para este fenómeno es posiblemente la presencia de sales descongelantes que hacen que el suelo cercano al pavimento sea más corrosivo.) Ingreso de Oxígeno Ingreso de Oxígeno Pavimento Catod o Anod o Anod o Catod o Poco o Nada de Oxígeno Figura 1.9 Ejemplo de Celda por Concentración de Oxígeno El tubo camisa de un pozo de gas o petróleo está conectado a una red de tuberías superficiales, que se encuentran justo por debajo de la superficie. Esto puede formar una celda por concentración de oxígeno: la parte más profunda del casing forma el ánodo; las tuberías superficiales, con mayor acceso al oxígeno, se convierten en el cátodo; una vez más, el suelo es el electrolito y el casing y las tuberías superficiales la conexión del circuito. Si se aíslan las tuberías superficiales mediante una junta o conexión aislante especial se puede controlar la acción de esta celda. Las celdas por concentración de oxígeno son responsables de gran parte de la corrosión cercana a la línea de agua en pilotes enterrados en el fondo marino o en estructuras instaladas en agua dulce. La acción de las olas mantiene un suministro constante de oxígeno para el metal justo por debajo de la superficie, mientras que a profundidades mayores hay poca penetración de oxigeno. CELDA POR CONCENTRACION DE IONES METALICOS Las celdas por concentración de iones metálicos existen siempre que hay una menor concentración de iones en un determinado punto de una estructura metálica, y una mayor concentración en otro punto. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:14 La superficie en contacto con la menor concentración de iones metálicos actúa como ánodo. Influencia del pH Teóricamente, el potencial de una estructura varía en aproximadamente 60 mV por cada unidad de pH. Por ejemplo, el potencial natural (ECORR) de un metal puede ser de –500 mV en un medio con pH 7, pero el valor de ECORR será de –560 mV a un pH de 8. Esto puede producir celdas de corrosión galvánica, generadas por diferencias en el pH del medio. Los medios con un pH ácido también pueden dañar el hormigón, como en estructuras de hormigón reforzado y estructuras recubiertas en hormigón (por ejemplo, tubos). El ácido disuelve los componentes alcalinos en la pasta de cemento, rompiendo el hormigón. Se considera dañino para el hormigón un pH menor a 5. Velocidad de Corrosión La velocidad de corrosión es directamente proporcional al flujo de corriente. En esta sección examinaremos los factores que afectan el flujo de corriente, como así también la densidad de corriente. La densidad de corriente es más importante para calibrar la acción destructiva del flujo de corriente. Ley de Faraday La Ley de Faraday relaciona la pérdida de peso del metal en una celda de corrosión, con el tiempo y el flujo de corriente. La ley se expresa mediante la siguiente fórmula: W= MtI nF Ec. 1-3 donde: W M t I n F = pérdida de peso del metal que se corroe (en gramos) = peso atómico del metal = tiempo durante el cual fluye la corriente (en segundos) = flujo de corriente (en amperes) = número de electrones transferidos por átomo de metal = constante de Faraday (96.500 coulombs por equivalente) Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:15 Otra forma de la Ley de Faraday se expresa en la siguiente ecuación: Ec. 1-4 W =K It donde: W K I t = pérdida de peso, en kg o libras = equivalente electroquímico, en kg/A-año libras/A-año = corriente, en amperes = tiempo, en años Tabla 1.4 Equivalentes Electroquímicos Especie Reducida Especie Oxidada Peso Molecular, M (g) Electrones Transferidos (n) Peso Equivalente, M/n (g) Al Cd Be Ca Cr Cu H2 Fe Pb Mg Ni OH¯ Zn Al+++ Cd++ Be++ Ca++ Cr+++ Cu++ H+ Fe++ Pb++ M g++ Ni++ O2 Zn++ 26.98 112.4 9.01 40.08 52.00 63.54 2.00 55.85 207.19 24.31 58.71 32.00 65.37 3 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 4 2 8.99 56.2 4.51 20.04 17.3 31.77 1.00 27.93 103.6 12.16 29.36 8.00 32.69 Velocidad de Consumo Teórica (Kg/A-año) 2.94 18.4 1.47 6.55 5.65 10.38 0.33 9.13 33.85 3.97 9.59 2.61 10.7 Ejemplo: Si un sistema de PC de 1 ampere debe suministrar 40 años de protección, y el equivalente electroquímico para los ánodos de hierro silicio-cromo es de 0.75 libras/amp-año, ¿cuántas libras de ánodos se necesitan? W = K.I.t = 0.75 libras/Amp-año x 1 amp x 40 años = 30 libras Diferencia de Potencial Independientemente de la fuente de diferencia de potencial, cuanto mayor sea la magnitud de esta diferencia, mayor será el flujo de corriente y la velocidad de corrosión, si todos los otros factores permanecen iguales. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:16 Por ejemplo, el magnesio se corroe a una mayor velocidad cuando está conectado al acero que cuando está conectado al zinc, simplemente porque la diferencia de potencial entre el magnesio y el acero es mayor que entre el magnesio y el zinc. Una diferencia de potencial puede ser medido entre diferentes metales en un electrolito, o entre un metal y un electrodo de referencia en el mismo electrolito. Electrodos de Referencia (Hemi-celdas) General Los electrodos de referencia, o hemi-celdas, son dispositivos importantes que permiten medir el potencial de una superficie metálica expuesta a un electrolito. Por ejemplo, mediciones de potencial estructura-suelo. Los potenciales estructura-suelo se miden con respecto a un electrodo. Lo que generalmente se llama potencial estructura-electrolito es en realidad el potencial medido entre la estructura y el electrodo de referencia. El electrolito en sí mismo no tiene un valor de potencial con respecto al cual medir el potencial de una estructura independientemente del potencial del electrodo de referencia utilizado. Por lo tanto, antes de analizar cómo medir potenciales a lo largo de una estructura, debemos hablar de las celdas de referencia. Electrodo de Hidrógeno Standard Existen varias tablas de potenciales que se usan comúnmente, pero todas ellas se relacionan con un elemento standard básico. En este standard, una mitad de la celda que genera el potencial a medir se representa con un electrodo de platino sobre el cual se hace burbujear gas hidrógeno, mientras se lo sumerge en una solución que tiene una determinada concentración de iones hidrógeno. Si se acuerda arbitrariamente que el potencial de un electrodo de platino cubierto con hidrógeno en esta solución standard es el cero de una escala de potenciales, entonces los potenciales de todos los otros metales en sus propias soluciones pueden vincularse con respecto a esta referencia. El electrodo de hidrógeno standard (SHE) es muy poco práctico para usar cuando se miden potenciales en campo. En su lugar, se usan otras combinaciones de electrodos metálicos en solución con una concentración de iones específica. La celda de referencia debe ser estable y capaz de producir datos que puedan ser reproducibles. Electrodo de Cobre-Sulfato de Cobre Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:17 Los electrodos de cobre-sulfato de cobre (CSE) son los electrodos de referencia más comúnmente usados para medir potenciales de estructuras enterradas o expuestas a agua dulce. El electrodo se compone de una varilla de cobre, inmersa en una solución saturada de sulfato de cobre, dentro de un cilindro no conductor con un tapón poroso en un extremo, como muestran las Figuras 1.10 y 1.11. Los iones cobre en la solución saturada evitan la corrosión de la varilla de cobre y estabilizan el electrodo de referencia. Tapa Removible Conexión para Conductor Varilla Cobre Ventana Transparente Tapón Poroso Solución de Sulfato de Cobre Saturado Cristales de Sulfato no Disueltos Figura 1.10 Electrodo de Referencia de Cobre-Sulfato de Cobre en Contacto con la Tierra Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:18 Figura 1.11 Electrodos de Referencia Portátiles de Cobre-Sulfato de Cobre Uso y Cuidado de los Electrodos de Referencia de Cobre-Sulfato de Cobre • Mantener limpios. • Mantener la tapa de goma/plástico sobre el tapón poroso mientras no se use el electrodo. • Limpiar el tapón poroso periódicamente para evitar que se taponen los poros. • Mantener libre de contaminación. • Reemplazar periódicamente el sulfato de cobre y limpiar la varilla de cobre con un material abrasivo no metálico; por ejemplo, use papel esmeril, no un papel de óxido de aluminio para limpiar la varilla. Si se enturbia la solución, límpiela y reemplácela con solución de sulfato de cobre fresca. • Asegurarse de que siempre haya cristales no disueltos en la solución; esto hace que la solución esté sobre-saturada y que el cobre no se corroa, y por lo tanto, sea estable. • Realizar el mantenimiento luego de usar el electrodo en una situación en la que pueda haber habido contaminación (por ejemplo, agua salada). La contaminación por cloruros cambia las reacciones químicas y el potencial de referencia se hace más bajo, con un error de –20 mV a concentraciones de 5 ppt y –95 mV a concentraciones de 10 ppt (ppt = pounds per ton, aproximadamente 1 ppt = 446 mg/litro) • Tener algunos electrodos de repuesto a mano. Los electrodos pueden perderse algunas veces. • Tener un electrodo en la oficina o negocio y usarlo para calibrar los electrodos que se usan en campo. Limpiar los electrodos de campo si tienen una diferencia de más de 5 mV con respecto al electrodo de calibración. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:19 • Corrija las variaciones de potencial debidas a la temperatura. Registre la temperatura al realizar mediciones, en caso de que haga falta hacer correcciones. Deben sumarse o restarse 0.5 mV/°F o 0.9 mV/°C cuando la temperatura es mayor o menor que la temperatura ambiente, respectivamente. • Proteger el electrodo de la luz solar directa al realizar mediciones (por ejemplo, use cinta oscura sobre la franja transparente del electrodo). El potencial de un electrodo de referencia en el sol puede disminuir de 10 a 50 mV con respecto a un electrodo que se encuentra en la oscuridad. Otros Electrodos de Referencia Electrodo de Referencia de Plata-Cloruro de Plata Los electrodos de referencia de plata-cloruro de plata (Ag-AgCl) se usan para mediciones en agua de mar. El electrodo de Ag-AgCl también se usa en estructuras de hormigón. Electrodo de Referencia de Calomelanos El electrodo de referencia de calomelanos saturados consiste en mercurio-cloruro mercurioso en una solución saturada de cloruro de potasio. Se usa generalmente como electrodo de laboratorio. Electrodo de Referencia de Zinc A veces se usa el zinc como electrodo de referencia, dado que su potencial es relativamente estable. En realidad el zinc es un pseudo-electrodo de referencia, ya que su potencial puede cambiar según los cambios del medio. Para uso en suelos, el electrodo de zinc se empaqueta en una bolsa de tela que contiene el mismo relleno que los ánodos de zinc. En agua, los electrodos de zinc se usan sin relleno. Dióxido de Manganeso El electrodo de dióxido de manganeso se usa en estructuras de hormigón reforzado. Electrodo de Grafito El grafito es un pseudo-electrodo de referencia que se usa a veces en estructuras de hormigón reforzado. Polaridad Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:20 Es fundamental que la polaridad de una medición sea tenida en cuenta para su registro. Dado que la mayoría de los instrumentos utilizados hoy en día son del tipo digital con polaridad indicada en forma automática en el display, un Técnico de Protección Catódica no estará en general preocupado por el signo de la lectura. Pero todavía es importante prestar atención a las conexiones al instrumento y el signo que debería esperarse para poder detectar problemas durante un relevamiento. La mayoría de los medidores digitales mostrarán un signo negativo para una lectura negativa, y ningún signo para una lectura positiva. Cuando se conecta un voltímetro mediante un elemento metálico, como un cable o una tubería con flujo externo de corriente, la lectura de voltaje es positiva cuando el terminal positivo del voltímetro está conectado al comienzo (aguas arriba) del flujo de corriente, como muestra la Figura 1.12. Medición de potencial de valor positivo + Corrient e Figura 1.12 Dirección de la Corriente Cuando se mide la diferencia de potencial de dos metales distintos, el signo es positivo cuando el terminal positivo del voltímetro está conectado al metal más noble, como muestra la Figura 1.13. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:21 .600 + V _ Medición del potencial es de valor positivo Noble Activo Figura 1.13 Medición de un Metal Noble y un Metal Activo Inmersos en un Electrolito Si el terminal positivo de un voltímetro está conectado al metal más noble y el terminal negativo al metal más activo, la lectura será positiva. La corriente circula del metal activo al noble a través del electrolito, y del metal noble al activo a través del paso metálico. Por lo tanto, la lectura es positiva porque la corriente convencional está ingresando al terminal positivo del voltímetro. Se considera que las lecturas estructura/electrolito son negativas con respecto al electrodo de referencia. Si se usa un voltímetro digital, el electrodo de referencia se conecta al terminal negativo. Al conectar el electrodo de referencia al terminal negativo, se obtiene una lectura negativa. En un medidor analógico, la aguja se moverá hacia la derecha cuando la corriente ingrese al terminal positivo. Al usar un medidor analógico con cero en el centro, si se conecta el electrodo de referencia al terminal negativo, la aguja se moverá hacia la izquierda, indicando que la lectura es negativa. Con un instrumento que permite este movimiento, puede conectarse el electrodo de referencia al terminal negativo, pero es necesario mover el interruptor de inversión de polaridad. El medidor leerá ahora hacia la derecha, pero la posición del interruptor indicará que la lectura es negativa. Conversión entre Electrodos de Referencia Una medida de potencial utilizando cualquier electrodo de referencia puede ser convertida a una medida con respecto a otro electrodo de referencia. Los valores relativos pueden variar pero en la Tabla 1.5. se presentan los valores que utilizaremos para el presente curso. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:22 Tabla 1.5 Valores relativos de electrodos de referencia con respecto al electrodo de hidrógeno. Electrodo (Hemi-Pila)* Potencial (voltios) Hidrógeno Standard 0.000 Cobre-Sulfato de Cobre (CSE) +0.316 Plata-Cloruro de Plata (SSC) +0.256 Calomel Saturado (SCE) +0.244 Zinc (ZRE) –0.800 El método gráfico está ilustrado en la Fig.1.14 para un potencial de un metal “X” respecto a un electrodo de cobre-sulfato de cobre (CSE) de -0.810 V. CSE 0.316 SSC(SJ) SCE 0.256 0.241 SSC(LJ) 0.222 0.06V 0.075V (SJ) = cloruro de plata solido (AgCl) sobre alambre plata. 0.810 V SHE 0.0 0.750V 0.735V 1.116V X o/X n+ (LJ) = alambre de plata en una solución de KCl concentrada 0.306V ZRE 0.80 Figura 1.14 Grafico de Conversión de Electrodos de Referencia Para un potencial de –0.810 VCSE, la medición de potencial de un metal desconocido Xo/Xn+ con respecto al electrodo de cobre-sulfato de cobre (CSE) es convertida a los potenciales que se indican respecto de otros electrodos de referencia: Xo / Xn+ / SCE –0.810 VCSE – (–0.075 VSCE) = –0.72 VSCE Ec. 1-5 Xo / Xn+ / SSC –0.810 VCSE – (–0.060 VSSC) = –0.750 VSSC Ec. 1-6 Xo / Xn+ / ZRE –0.810 VCSE – (–1.116 VZRE) = +0.306 VZRE Ec. 1-7 Su equivalente en forma aritmética se haría siguiendo las dos etapas que se describen a continuación: Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:23 1. Determine la diferencia de potencial entre el primer electrodo de referencia y el segundo electrodo de referencia. (por ejemplo la diferencia entre el electrodo de cobre-sulfato de cobre y el de calomel saturado resultaría de +72 mV). 2. Sume la diferencia de potencial original al resultado de la etapa 1, para obtener el potencial respecto al electrodo de calomel saturado. Xo / Xn+ / SCE Ej. = +72 mV + (–810 mVCSE) = –738 mVSCE CALCULAR: Dado Estructura-electrolito vs. Cu-CuSO4 = −0.87 V Calcule Estructura-electrolito vs. los siguientes electrodos Plata-Cloruro de Plata = __________ 0.10 N Calomelano = __________ Zinc = __________ Electrodos Portátiles vs. Permanentes Los electrodos de referencia portátiles pueden, como indica su nombre, transportarse de un punto a otro. Se usan en ensayos de campo y laboratorio y pueden mantenerse (limpiarse y rellenarse) en forma regular. Los electrodos de referencia permanentes se instalan en o cerca de una estructura (por ejemplo, enterrados cerca de un tanque o tubo, sumergidos en hormigón, o instalados dentro de una caja de agua) para monitorear su potencial electrodo-suelo. Estos electrodos no pueden moverse de un punto a otro y no puede efectuarse el mantenimiento. Los electrodos permanentes sólo son “permanentes” por un determinado período de tiempo, pasado el cual se vuelven inutilizables. De vez en cuando debe verificarse el potencial del electrodo de referencia permanente con respecto a un electrodo que se sabe estable. Polarización A medida que el flujo de corriente continúa a lo largo del tiempo, tiene lugar la polarización en el ánodo y en el cátodo. La polarización disminuye la diferencia de potencial entre las zonas anódicas y catódicas y, según la Ley de Ohm, la corriente, I, disminuye y la velocidad de corrosión disminuye hasta alcanzar un equilibrio Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:24 entre los efectos de polarización y despolarización. Entre los despolarizantes se incluyen: • Oxígeno disuelto • Actividad microbiológica • Flujo de agua La polarización siempre ocurre en dirección opuesta al flujo de corriente que la causa. Cuando el ánodo y el cátodo de una celda de corrosión están conectados, la corriente circula entre ellos. Esta corriente hará que el potencial del ánodo se acerque al del cátodo. Además, el potencial del cátodo se acercará al del ánodo. A medida que la resistencia de los pasos electrónico y electrolítico se aproxima a cero, la diferencia de potencial entre los electrodos polarizados también se aproxima a cero, y ambos electrodos alcanzan un potencial mixto estable (EM). Sin embargo, en la realidad siempre habrá resistencia en los pasos de la corriente, así que el potencial mixto estará en algún punto entre los potenciales polarizados de los dos electrodos. La diferencia entre los potenciales polarizados del ánodo y del cátodo es la fuerza impulsora de la celda de corrosión. En esta condición de estado estacionario, la corriente se define como corriente de corrosión (ICORR) del sistema. La Figura 1.15 ilustra el concepto de polarización. Estos diagramas se conocen como diagramas de Evans y se confeccionan inyectando una corriente externa, I, que circule entre el metal a medir (llamado electrodo operativo) y otro electrodo (el contra-electrodo), mientras se monitorea el potencial (E) del electrodo operativo respecto a un electrodo de referencia. Los potenciales de electrodo previos al flujo de corriente se conocen como potenciales a circuito abierto. Estos potenciales (EOC y EOA) son los potenciales del cátodo y del ánodo cuando la corriente de corrosión es igual a cero. EPA es el potencial polarizado del ánodo; EPC es el potencial polarizado del cátodo. ICORR es la corriente de corrosión de la celda de corrosión. A medida que se aumenta la corriente, el valor de E cambia, ya sea en sentido anódico o catódico, dependiendo de su dirección, es decir, EOC →EPC, EOA→EPA. EM es el potencial mixto (el potencial que realmente puede medirse) de la celda de corrosión combinada a ICORR. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:25 + P o t e n c i a l EOC EPC EPA EM EOA _ log i I CORR Figura 1.15 Diagrama de Polarización (Diagrama de Evans) Por lo general, la polarización se relaciona con el consumo de los reactivos y con la acumulación de productos de la reacción. Cualquier cosa que favorezca la acumulación de productos de reacción o el consumo de reactivos, aumentará la polarización. Consecuentemente, cualquier acción que remueva los productos de reacción o suministre reactivos, reducirá la polarización. Hay dos tipos de polarización –por activación y por concentración. Polarización por Activación Es la que resulta como consecuencia de la existencia de una etapa de la reacción total conocida como la etapa determinante de la velocidad (rate determining step en cinética química o electroquímica), en la reacción que tiene lugar en la interfase electrodo/electrolito. Estas reacciones son las que tienen lugar una vez que todos los reactivos ya han alcanzado esta superficie de reacción, es decir cuando no hay retardo en la llegada de reactivos por un proceso difusional. La reacción de transferencia de carga involucra mover un electrón desde la superficie metálica al reactivo del lado del electrolito. Por ejemplo, considérese la evolución del gas hidrógeno en el cátodo. La velocidad a la cual los iones de hidrógeno se reducen a gas hidrógeno esta en función de diversos factores, incluyendo la velocidad de transferencia de electrones al ion hidrógeno en la superficie del metal. Por lo tanto la velocidad es inherente a esta reacción y depende del metal específico y de la temperatura del sistema. De hecho, hay grandes variaciones en la capacidad de los distintos metales para transferir Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:26 electrones a los iones hidrógeno, y por lo tanto la velocidad de la evolución de hidrógeno para diferentes metales difiere considerablemente. La polarización por activación predomina a menudo en los electrolitos en los que abundantes reactivos y/o productos propios de la reacción electroquímica son fácilmente provistos o bien removidos. En ácidos concentrados, predomina la polarización por activación. Polarización por Concentración Es el resultado de etapas en la reacción total que incluyen la difusión de reactantes hasta la superficie del electrodo o bien la eliminación de productos de la reacción. Cualquier cosa que provoque una disminución en la cantidad de reactantes disponibles o bien en el aumento de productos de la reacción, disminuye la velocidad de la reacción. Si la etapa más lenta de la reacción total de electrodo involucra el arribo de reactantes o la eliminación de productos de la reacción, se dice que la reacción se encuentra bajo control por polarización de concentración. La polarización por concentración generalmente predomina en electrolitos en que la concentración de reactivos es baja, como en soluciones diluidas, o donde se acumulan productos de reacción, como en medios estáticos. La capacidad de los reactivos para alcanzar la superficie de reacción, y los productos de la reacción para alejarse de la misma, puede alcanzar una condición de densidad de corriente limite difusional. La polarización total de una estructura es la suma de las polarizaciones de activación y concentración. Con la aplicación de los primeros incrementos en la corriente de protección catódica, la velocidad de reacción es relativamente baja, los reactivos se encuentran en gran proporción en la superficie de reacción o bien se alejan rápidamente de la misma. En este caso la estructura está mayormente bajo control de activación. Sin embargo, a medida que la corriente de protección catódica se va incrementando, la disponibilidad de reactivos en la interfase disminuye, o bien los productos se acumulan en la superficie, con lo que el control lo ejerce la polarización por concentración. Cuando llegamos a la zona de la densidad de corriente limite difusional, el potencial en la interfase se hace muy negativo rápidamente. A menos que otra reacción catódica pueda tener lugar, la velocidad de reacción llega a un límite y la densidad de corriente no puede aumentar, aún aumentando el valor del potencial. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:27 -0.2 -0.3 -0.4 Oxygen Reduction (activation control) -0.5 -0.6 20% O 2 -0.7 -0.8 Argon Saturated Oxygen Reduction (conc. control) -0.9 Water Electrolysis (activation control) 1.0 -1.1 Hydrogen Evolution -1.2 -1.3 -1.4 10 7 10- 6 10- 5 10- 4 10- 3 10- 2 Current Density, A/cm2 Figura 1.16 Curva de Polarización en Soluciones Aireadas y Desaireadas de pH 7. Fuente: N.G.Thompson y T.J.Barlo “Fundamental Processes of Cathodiccally Protecting Steel Pipelines” Gas Research Conference Proceedings, presented 1983 (Rockville, MD Government Institutes, Inc.) Si otra reacción catódica es posible, la densidad de corriente puede continuar aumentando con la disponibilidad de nuevos reactivos. Esto ocurre por ejemplo en el caso de la protección catódica de acero en suelos neutros aireados donde al principio tiene lugar la reducción de oxígeno hasta que se alcanza la densidad de corriente límite difusional, y luego otra reacción tiene lugar, cual es la electrólisis del agua a potenciales más negativos (Figura 1.16). Nótese que hay un cambio relativamente pequeño bajo el control de activación, mientras que cuando hay control de concentración, el cambio de potencial es mayor. Caída Óhmica Las mediciones de polarización incluyen un componente de “caída IR” o caída óhmica producido por la circulación de corriente a través del suelo hacia el electrodo. El voltaje IR es similar al que se produce cuando la corriente atraviesa una resistencia. El componente IR puede aparecer en el suelo o en la interfase con la estructura, o en ambos. Mientras que tanto la polarización por activación como la polarización por concentración decaen con velocidades que pueden medirse una vez interrumpida la corriente, el componente IR desaparece instantáneamente. Este componente IR no es polarización y, por lo tanto, debe tenerse en cuenta o Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:28 eliminarse de las mediciones, cuando el nivel de potencial es utilizado para verificar el cumplimiento de algún criterio de protección. Factores que Afectan la Polarización Hay varios factores que afectan la polarización: • Flujo de corriente (transferencia de cargas) • Resistividad del electrolito (concentración total de iones) • Relación de Ánodo/Cátodo • Efecto de la temperatura • Efecto del movimiento relativo electrolito/electrodo • Efecto de la concentración del electrolito Flujo de Corriente (Transferencia de Cargas) Como la polarización es causada por un flujo de corriente, a medida que aumenta la corriente, aumenta la polarización. Un mayor flujo de corriente resulta en una elevada velocidad de reacción, removiendo los reactivos y acumulando los productos. Puede resultar algo confuso, pero recuerde: un aumento en el flujo de corriente por definición genera un aumento de la polarización, pero cuando el factor controlante es la polarización, un aumento de la polarización generará una disminución del flujo de corriente. Resistividad del Electrolito (Concentración Total de Iones) Como la transferencia de corriente (carga) a través del electrolito depende de los iones, el número total de iones presentes influirá significativamente en la resistencia del electrolito y, por lo tanto, en el flujo de corriente en el circuito. Relación de Ánodo/Cátodo La polarización está en función de la densidad de corriente o flujo de corriente por unidad de superficie. El efecto de la corriente concentrada en una superficie pequeña será mayor que el efecto de la misma cantidad de corriente en una superficie mayor. Por ejemplo, una estructura recubierta se polarizará más rápidamente que una estructura desnuda con una determinada cantidad de corriente. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:29 Este efecto de área también afecta el grado del daño por corrosión. Si la pérdida de metal debida a la corrosión es pequeña pero está concentrada en una superficie reducida, resultando en un pit (picado), tendrá un efecto más destructivo para la estructura que una mayor pérdida de metal debida a una corrosión de tipo uniforme. En una celda de corrosión, la proporción entre la superficie del ánodo y del cátodo es muy importante. Un ánodo pequeño con un cátodo grande constituye una situación indeseable, ya que el picado será mayor en comparación con una celda donde el ánodo es grande y el cátodo pequeño. Temperatura La temperatura afecta la cinética de las reacciones, tanto anódicas como catódicas. En otras palabras, un aumento de la temperatura tiende a acelerar las reacciones químicas, despolarizando así los electrodos y aumentando la corriente. De la misma forma, una disminución de temperatura resulta en un aumento de la polarización. El siguiente diagrama de polarización (Figura 1.17) muestra el efecto de la temperatura en la circulación de corriente. + P o t e n c i a l _ Catodo Aumento de Temperatura Reducción de Temperatura E T1<T2<T3 Reducción de Temperatura Aumento de Temperatura Anodo I@T1 I@T2 I@T3 log i Figura 1.17 Efecto de la Temperatura (T) sobre la Polarización Efecto del Movimiento Relativo de Electrolito/Electrodo Un mayor movimiento relativo entre electrodos y electrolito, ya sea causado por la agitación del electrolito o la vibración del electrodo, remueve los productos de reacción en el ánodo y en el cátodo, suministrando reactivos a la superficie catódica. Un aumento del movimiento disminuye la polarización y aumenta la Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:30 corriente. En electrolitos en reposo, el movimiento es menor, aumentando la polarización y disminuyendo la corriente, como muestra la Figura 1.18. + P o t e n c i a l Catodo Aumento de Movimiento E Disminución de Movimiento Velocidad1<Velocidad2<Velocidad3 Disminución de Movimiento Aumento de Movimiento Anode Anodo _ I@V1 I@V2 I@V3 log i Figura 1.18 Efecto del movimiento electrolito/electrodo (V) sobre la Polarización Efecto de la Concentración del Electrolito (Zona de Interfase) Polarización Anódica La polarización del ánodo puede verse afectada por la concentración del ion del metal que se corroe, M+ne, producto de la oxidación del metal (Figura 1.19). Un aumento de la concentración del ion del metal del ánodo aumenta la polarización del ánodo y disminuye la corriente. De la misma forma, la disminución de los iones del metal del ánodo disminuye la polarización y aumenta la corriente. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión + 1:31 Cátodo P M >M >M 1 2 3 o t e n E Aumento en la Concentración de Ion Metálico . c i a l __ Anodo I@M I @ 1 2M I @M 3 Disminución en la Concentración de Ion Metálico log i Figura 1.19 Efecto de la Concentración del Ion del Metal que se Corroe (Mx) Polarización Catódica La polarización del cátodo puede verse afectada por la concentración de los reactivos catódicos, como oxígeno o iones hidrógeno. Un aumento en la concentración de cualquiera de estos reactivos disminuye la polarización y aumenta la corriente, y viceversa. Los dos diagramas siguientes ilustran el efecto que se produce al cambiar la concentración de los reactivos catódicos (Figuras 1.20 y 1.21). + P o t e n c i a l _ Cátodo E Anodo Aumento en la Concentración de Oxígeno Disminución en la Concentración de Oxígeno I@O1 O1<O2<O3 I@O2 I@O3 log I Figura 1.20 Efecto de la concentración de oxígeno (Ox) sobre la polarización catódica Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión + P o t e n c i a l _ 1:32 Catodo Disminución en pH (más ácido) Aumento en pH (más alcalino) E Anodo I @pH1 pH1>pH2>pH3 I@pH2 I@pH3 Recuerde que la concentración iones hidrógeno (H+) aumenta + con la reducción del pH log I Figura 1.21 Efecto del pH sobre la Polarización Catódica Pasivación La Pasivación puede definirse como la pérdida de actividad química: • • • • Se manifiesta en determinados metales y aleaciones Bajo condiciones específicas Causada por la formación de una película superficial Actúa como barrera contra la corrosión. En condiciones específicas, ciertos metales y aleaciones, como los aceros inoxidables, aleaciones de níquel, cromo y titanio pueden convertirse en materiales esencialmente inertes y actuar como si fueran metales nobles. Pasivante vs. No-pasivante Una forma de mostrar las características inusuales de un metal o aleación que puede ser pasivado es comparándolo con un metal que no presente este efecto. La Figura 1.22 muestra metales pasivantes vs. no-pasivantes, en base a su comportamiento de polarización anódica. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:33 + Material Pasivante E Material No-Pasivante _ log I Figura 1.22 Comportamiento Pasivante vs. No-Pasivante Nótese que para un metal pasivante: • Inicialmente, un leve aumento del potencial corriente de corriente. Ésta es la región activa. genera un aumento en la • Sin embargo, cuando el potencial aumenta y alcanza un cierto punto, la corriente de corrosión disminuye abruptamente y se mantiene esencialmente constante. Ésta es la región pasiva. • Eventualmente, si el potencial aumenta lo suficiente, la corriente vuelve a aumentar. Ésta es la región transpasiva. Para el metal activo (o no-pasivante), a medida que aumenta el potencial aumenta la corriente de corrosión en forma más o menos logarítmica (o lineal en un gráfico semi-logarítmico). Las películas de óxido, que se forman naturalmente sobre la mayoría de los metales expuestos al aire, pueden suministrar una protección muy importante contra ulteriores ataques en varios medios. Si no fuera por estas películas, muchos metales comunes, como el aluminio o los aceros inoxidables, se corroerían rápidamente en contacto con el aire y agua. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:34 Formas de Corrosión La corrosión puede clasificarse en las siguientes formas generales: Ataque Uniforme — Es éste un tipo de corrosión con una pérdida pareja de metal distribuida en toda o gran parte de la superficie de la estructura. Corrosión en Grietas — Este tipo de corrosión tiene lugar cuando dos superficies con una separación muy pequeña entre ellas –ya sea entre dos metales o entre un metal y un no-metal – están expuestas a un medio corrosivo. Los huecos, empaquetaduras, juntas, depósitos sobre la superficie y grietas son lugares probables para este tipo de corrosión. Ataque Galvánico — Este tipo de corrosión ocurre cuando se conectan dos metales distintos. El potencial de los dos metales crea una diferencia de potencial, la fuerza impulsora de la corrosión. Picado (Pitting) – Corrosión localizada que se concentra en una superficie reducida del metal y la perfora. Los pits (picaduras) pueden presentarse aislados o muy cercanos entre sí, y pueden tener diámetros grandes o pequeños. Ataque Intergranular — Ésta es una corrosión localizada en los bordes de grano de una aleación. Es causada por una diferencia en la composición cerca de los bordes, en comparación con el resto de la aleación. De-aleación (Leaching) Selectiva — Este tipo de corrosión remueve selectivamente uno de los elementos de una aleación. La dezincficación del bronce y la grafitización del hierro dúctil son ejemplos de este tipo de corrosión. Fenómenos Relacionados con la Velocidad — Esta corrosión se presenta cuando un fluido se mueve rápidamente sobre un metal, removiendo los productos de corrosión. Se reconoce por la aparición de canales, zanjas, etc., en la dirección del flujo. Fracturas Relacionadas con el Medio — Resultan de la reacción de un metal a un medio corrosivo en presencia de tensiones. Existen tres tipos de fallas relacionadas con el medio: Corrosión por Fatiga — resulta en la fatiga del metal bajo tensiones alternadas en un medio corrosivo. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:35 Fragilización por Hidrógeno — reducción de la ductilidad de un metal debida a la difusión de hidrógeno en su interior. Daño por Hidrógeno El hidrógeno atómico generado en la superficie por la protección catódica puede difundirse dentro del metal. Este hidrógeno atómico puede ampollar el metal, formar hidruros, en el caso del titanio, que lo fragilizan, y fragilizar el acero (especialmente el acero de alta resistencia), el acero inoxidable martensítico, el aluminio de alta resistencia (en particular la serie 7000), y el hormigón pretensado. La fragilización del metal puede formar grietas, que al crecer rompen la estructura. Para prevenir la fragilización por hidrógeno, debe mantenerse el potencial por debajo del potencial de evolución del hidrógeno, que depende del pH. Por lo general, en medios neutros el hidrógeno se genera a –1044 mV CSE. A menor pH, menor será el potencial de evolución del hidrógeno. Para el aluminio, el potencial polarizado debe mantenerse por debajo de los –1200 mV (CSE) para evitar la corrosión por álcalis. Para el titanio, el potencial máximo recomendable es de –700 mV (plata-cloruro de plata) para evitar la formación de hidruros. En algunos documentos que describen los criterios de protección catódica se analizan los niveles de sobreprotección, y pueden ser algo diferentes a los aquí citados. Para el hormigón pretensado, deben evitarse potenciales más negativos que –1000 mV. Es preciso tener esto en cuenta al diseñar y operar sistemas de protección catódica si se usan materiales susceptibles a la fragilización por hidrógeno: el potencial estructura-suelo nunca debe exceder el potencial de evolución del hidrógeno. Corrosión Bajo Tensiones (SCC) — la falla de un metal bajo tensiones en presencia de un medio corrosivo. Muchos metales, incluyendo el acero de alta resistencia, el aluminio (aleaciones de las series 2000 y 7000), aceros inoxidables y aleaciones de bronce, son susceptibles a la SCC. Generalmente, la protección catódica reduce o elimina la SCC porque detiene el proceso de corrosión. Sin embargo, ha habido casos de SCC en tuberías de aceros de alta resistencia debido a la protección catódica. Este tipo de falla ocurre dentro de un rango de potenciales muy limitado (de –525 a –725 mV CSE) y a un pH entre 8 y 10.5, y es más probable a temperaturas elevadas. La falla ocurre debido a la formación de carbonatos y bicarbonatos sobre la superficie del acero. Este aspecto de la corrosión aún se está investigando. Corrosión Influencia por Microorganismos (MIC) Algunas bacterias que existen bajo condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno) pueden reducir sulfatos consumiendo hidrógeno en el proceso. El consumo de hidrógeno atómico adsorbido en la superficie de la estructura, despolariza el acero en sitios catódicos y permite Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:36 así un mayor consumo del metal por las celdas galvánicas existentes. Las bacterias no atacan en forma directa al metal, pero crean condiciones que conducen a un ataque más rápido por aumento de la corriente de corrosión en las celdas existentes, las que normalmente se encuentran polarizadas por la existencia de hidrógeno (producto de la reacción catódica de reducción de protones). Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:37 Experimento 1.1 Investigar los Cambios en el Funcionamiento de una Celda de Corrosión con Respecto a los Cambios en el Electrolito La configuración del experimento que se muestra en la Figura 1.23 a continuación puede usarse para demostrar los cambios típicos que pueden ocurrir en una celda de corrosión en funcionamiento. A V A C E R O V Electrodo Referencia C O B R E Figura 1.23 Experimento para Mostrar el Efecto de los Cambios en el Medio sobre el Comportamiento de la Corrosión En el siguiente experimento, se usa un despolarizador catódico (peróxido de hidrógeno) para introducir cambios en los potenciales a circuito abierto y en la polarización en el ánodo y en el cátodo, respectivamente. Puede haber cambios también en la corriente de corrosión de la celda. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:38 PROCEDIMIENTO Parte A - Preparación 1. Coloque agua en la bandeja. 2. Coloque la plancha de acero en la parte izquierda de la bandeja. 3. Coloque la plancha de cobre en la parte derecha de la bandeja. 4. Conecte el circuito como muestra la Figura 1.23. Parte B – Efecto de Despolarización Catódica del Peróxido de Hidrógeno 1. Mida el potencial a circuito abierto del acero y del cobre usando un electrodo de sulfato de cobre y un voltímetro. 2. Conecte los dos metales mediante un amperímetro y un par de cables y registre el potencial polarizado a circuito cerrado del acero y del cobre. 3. Mida la corriente de corrosión. 4. Agregue la solución de peróxido de hidrógeno al electrolito cerca de la plancha de cobre (aproximadamente 1 tapa llena). 5. Repita los Pasos 2 y 3. 6. Desconecte el amperímetro y repita el Paso B-1. 7. Retire el electrolito de la bandeja. 8. Confeccione los diagramas de polarización. RESULTADOS Eacero Ecobre Icorr Parte B Circuito Abierto Celda de Corrosión Celda de Corrosión (H2O2) Circuito Abierto (H2O2) CONCLUSIONES El agregado de solución de peróxido de hidrógeno al electrolito cerca del cátodo de cobre hace más positivos los potenciales de polarización anódica y catódica y el potencial catódico a circuito abierto. También aumenta la corriente de la celda de corrosión. Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:39 Ejercicio 1.1 Resistencias e Instrumentos Para determinar las características y parámetros de operación de los circuitos eléctricos DC, pueden usarse unas simples mediciones utilizando las funciones de amperímetro y voltímetro de un multímetro digital. Para los próximos experimentos usaremos el tablero de circuito y el multímetro digital de los kits de experimentos. A continuación se muestra la configuración del tablero de circuito. Terminales de Batería de 9V 100 ohms – + 100 ohms 100 ohms 100 ohms 10 kilo-ohms 10 100 ohms 100 ohms 100 ohms 100 ohms 100 ohms 100 ohms ohms 10 ohms 100 ohms Diode 1,000 ohms Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:40 Registre los datos en la Planilla del Ejercicio 1.1. Paso 1. Mida el voltaje de la batería con ayuda del multímetro. El valor es igual al impreso en la batería. Si no es así, ¿cuál es la razón? Paso 2. Utilizando el multímetro como óhmetro, mida los valores de las resistencias. Estos valores coinciden con los valores que identifican a cada una de las resistencias. Si no es así, ¿por qué? Paso 3. Calcule la resistencia total (RT). Paso 4. Conecte en un circuito serie las resistencias de 1,000 Ω (R2), 100 Ω (R3), y 10 Ω (R4) ubicadas debajo de la posición de la batería, y mida la resistencia total (RT) con el óhmetro. [NO CONECTE LA BATERIA] ¿El valor medido coincide con el calculado? Si no es así, ¿por qué? Paso 5. Haciendo uso de la Ley de Ohm, y los valores medidos de ET y RT, calcular la corriente total (IT). Paso 6. Con las resistencias conectadas en serie, conecte la batería y el amperímetro en serie. [PRECAUCION: asegúrese que el instrumento está en la escala de mA antes de conectar la batería] Mida la corriente total (IT). ¿Cómo se compara con el valor calculado? Paso 7. [COLOQUE EL INSTRUMENTO A LA POSICION VOLTSDC] Mida la caída IR a través de cada resistencia y luego súmelas y mida el voltaje de la fuente. ¿La suma de las caídas es igual a la caída de tensión medida? Paso 8. Calcule la resistencia equivalente para las resistencias de 10 kΩ (R1), 1,000 Ω (R2), y 100 Ω (R3) dispuestas en paralelo. Paso 9. Conecte las resistencias de 10 kΩ (R1), 1,000 Ω (R2), y de 100 Ω (R3) en disposición paralelo y mida la resistencia total, RT. ¿El valor es igual al valor calculado en el Paso 8? Si no lo es, ¿por qué? Paso 10. Calcule la corriente total (IT) en el circuito en paralelo construido en el Paso 9. Paso 11. Mida la corriente total (IT) con el amperímetro. ¿Cómo se compara este valor con el obtenido en el Paso 10? Paso 12. Calcular el flujo de corriente a través de las resistencias de 10 kΩ (R1), 1,000 Ω (R2), y 100 Ω (R3) y la corriente total (IT). Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:41 Paso 13. Mida la corriente en cada una de las resistencias de 10 kΩ (R1), 1,000 Ω (R2), y100 Ω (R3) con el amperímetro. ¿El valor se aproxima a los valores calculados? Paso 14. Sume las corrientes en cada rama. ¿Son iguales a la corriente total medida (IT )? Si no es así, ¿por qué? Paso 15. Indique la dirección de la corriente en cada resistencia. ¿La Ley de Corriente de Kirchhoff es satisfecha? PRUEBA DE DIODOS Compruebe el diodo con el circuito de prueba de diodos. ¿Está funcionando bien? Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión 1:42 EJERCICIO 1.1 PLANILLA DE DATOS. PASO 1 VOLTAJE INDICADO EN LA BATERIA (ET) : _________V VOLTAJE DE BATERIA (ET) : __________ V PASO 2 MEDICION DE RESISTENCIAS Medida Nominal R11 10,000 Ω ______________ R14 1,000 Ω ______________ R12 100 Ω ______________ R13 10 Ω ______________ CIRCUITO EN SERIE PASO 3 Resistencia Total Calculada RT = R14 + R12 + R13 = ______ Ω PASO 4 Resistencia Total Medida RT = R14 + R12 + R13 = ____________ Ω PASO 5 Corriente Calculada (IT) = ET /RT = : __________________ A PASO 6 Corriente Medida (IT)= Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 __________________ A Teoría de la Corrosión PASO 7 1:43 CAIDAS DE VOLTAJE MEDIDAS V14 = : ______________ V en la resistencia de 1000 Ω V12 = : ______________ V en la resistencia de 100 Ω V13 = : ______________ V en la resistencia de 10 Ω Voltaje Calculado Total VT = : ______________ Voltios Voltaje de Fuente Medido (ET) : ______________ Voltios CIRCUITO EN PARALELO PASO 8 Resistencia Total Calculada RT = 1/(1/R1 + 1/R2 + 1/R3) = _________ Ω PASO 9 Resistencia Total Medida RT = ______________ Ω PASO 10 Corriente Calculada (IT)= ET/RT = : ______________ A PASO 11 Corriente Medida (IT)= : ______________ A PASO 12 CALCULAR CORRIENTE EN C/RESISTENCIA I1 = ET / R1 : _______________ A en la resistencia de 10 kΩ I2 = ET / R2 : _______________ A en la resistencia de 1000 Ω I3 = ET / R3 : _______________ A en la resistencia de 100 Ω Corriente Total Calculada (IT) = : _______________ A Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 Teoría de la Corrosión PASO 13 1:44 CORRIENTE MEDIDA EN C/RESISTENCIA I1 = : _______________ A en la resistencia de 10 kΩ I2 = : _______________ A en la resistencia de 1,000 Ω I3 = : _______________ A en la resistencia de 100 Ω PASO 14 Corriente Total Calculada IT = : _______________ A PASO 15 DIBUJE UN ESQUEMA DEL CIRCUUITO E INDIQUE LA DIRECCION DE LA CORRIENTE EN EL ESQUEMA (EN EL SENTIDO O EN CONTRA DE LAS MANECILLAS DEL RELOJ). PRUEBA DE DIODO LECTURA EN UNA DIRECCION LECTURA INVERSA Bueno _________________________ __________________ Abierto _________________________ __________________ Corto _________________________ __________________ Manual – Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2006 CAPITULO 2 Fundamentos de Protección Catódica El Concepto de Protección Catódica La corrosión es el resultado de una reacción electroquímica impulsada por una diferencia de potencial entre dos electrodos, un ánodo y un cátodo, conectados mediante un paso electrónico e inmersos en el mismo electrolito. En el caso de la corrosión uniforme, existen muchos sitios anódicos y catódicos microscópicos sobre la superficie de la estructura metálica. Cátodo Ánodo Celda de Corrosión Microscópica sobre la Superficie de una Tubería Figura 2.1 Celda de Corrosión Microscópica El concepto de la protección catódica implica reducir a cero la diferencia de potencial entre los sitios anódicos y catódicos, obteniendo como resultado cero corriente de corrosión. Esto puede lograrse imprimiendo corriente hacia la estructura desde un electrodo externo y polarizando los sitios catódicos en dirección electronegativa. A medida que los potenciales de los sitios catódicos se polarizan hacia los potenciales de los sitios anódicos, se reduce la corriente de corrosión. Cuando los potenciales de todos los sitios catódicos alcanzan el potencial de los sitios anódicos más activos, se elimina la corrosión en la estructura. Ahora la estructura pasa a ser el cátodo de una celda de corrosión macroscópica intencional. La corrosión del metal cesará una vez que la corriente aplicada de protección catódica iguale o exceda la corriente de corrosión. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:2 CORRIENTE PC ANODO I corr= 1 mA CATODO -0.65 volt -0.50 volt ANTES de la PC ANODO I corr= 0 mA CATODO -0.65 volt -0.65 volt Disminución de la corriente de corrosión DESPUES de la PC Figura 2.2 Protección Catódica Aplicada a una Estructura La corriente de protección catódica es suministrada desde un ánodo de protección catódica externo, corriente que circula a través del electrolito hacia el metal y reduce la diferencia de potencial entre los sitios anódicos y catódicos (ver Figura 2.2.) Polarización de una Estructura La protección catódica es un fenómeno de polarización y la polarización es un cambio del potencial por efecto de la circulación de corriente. A medida que la corriente circula desde el electrolito hacia el metal, ocurren reacciones de reducción. Los productos de estas reacciones cambian la composición química del electrolito en la interfase estructura/electrolito. La diferencia química en la interfase, medida como potencial de la estructura, es lo que se conoce como polarización. Cuando se interrumpe la corriente de protección catódica, la polarización se disipa de manera similar a como se disipa el voltaje de un capacitor pero puede que nunca alcance a llegar al valor del potencial natural, dependiendo de los productos generados en la reacción. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:3 Cátodo Polarizado Electronegativamente desde EC,OC + E log i Figura 2.3 Polarización de una Estructura A medida que la estructura se polariza, su potencial se desplaza en dirección electronegativa (ver Figura 2.3). La polarización se lleva a cabo en etapas: son los sitios más positivos o catódicos los que primero se polarizan. A medida que el potencial de los sitios más catódicos iguala el potencial de los otros sitios, la polarización comienza en otros sitios. Esto puede aclararse observando la Figura 2.4. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica Potenciales Naturales P O L A R I Z A C I O N Corrosión Mitigada 2:4 -.5 -.6 -.65 -.6 -.7 -.58 -.58 -.6 -.65 -.6 -.7 -.58 -.6 -.6 -.65 -.6 -.7 -.6 -.65 -.65 -.65 -.65 -.7 -.65 -.7 -.7 -.7 -.7 -.7 -.7 Figura 2.4 Polarización de una Estructura Para mitigar el efecto de la corrosión, todos los sitios catódicos deben polarizarse en dirección electronegativa hasta alcanzar el potencial a circuito abierto del ánodo más activo de la estructura. La polarización de una estructura se logra aplicando corriente externa, cuya magnitud depende del comportamiento de la polarización catódica. Más adelante en este capítulo analizaremos los factores que afectan los requerimientos de corriente para proteger adecuadamente una estructura. La Figura 2.5 representa la polarización del cátodo al potencial a circuito abierto del ánodo en una celda de corrosión sobre una estructura, usando protección catódica. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica + 2:5 EC,OC Cátodo se polariza hasta el potencial a circuito abierto del ánodo, lo que resulta en una corriente cercana a cero EC,P ECORR E EA,OC EA,P E’C,P ECPA,P _ ECPA,OC ICORR ICP log i Donde: EC,OC = EA,OC = EC,P = EA,P = PC ECORR = ICORR = ECPA, OC = E’C,P = ECPA,P = ICP = Potencial del cátodo de la estructura, a circuito abierto, celda de corrosión inactiva Potencial del ánodo de la estructura, a circuito abierto, celda de corrosión inactiva Potencial del cátodo de la estructura, celda de corrosión activa, antes de aplicar la PC Potencial del ánodo de la estructuras, celda de corrosión activa, antes de aplicar la Potencial de corrosión con el ánodo y cátodo de la estructura conectados Corriente de corrosión antes de aplicar la PC Potencial del ánodo de PC, sin corriente de PC Potencial del cátodo de la estructura con la corriente de PC aplicada Potencial del ánodo de PC, con la corriente de PC circulando Corriente de protección catódica entre el ánodo de PC y la estructura Figura 2.5 Polarización del Cátodo al Potencial del Ánodo Más Activo La polarización de los cátodos al potencial a circuito abierto de los ánodos es el verdadero criterio para eliminar la corrosión. Sin embargo, a los fines prácticos, es imposible determinar el potencial a circuito abierto del sitio anódico más activo. Dado que las celdas de corrosión generalmente son microscópicas y los potenciales que pueden medirse son potenciales de corrosión (Ecorr), las mediciones iniciales serán probablemente un promedio de los potenciales de corrosión de varias celdas. Por lo tanto, se han desarrollado varios criterios alternativos, que discutiremos más adelante en este capítulo, para aproximarse al criterio verdadero. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:6 Requerimientos de Corriente La cantidad de corriente necesaria para suministrar protección adecuada depende de la superficie a proteger y de las características de la polarización de la estructura en ese medio. Superficie El requerimiento de corriente es directamente proporcional a la superficie: a mayor superficie a proteger, mayor requerimiento de corriente. Por ejemplo, una estructura revestida requiere menos corriente que una estructura desnuda. Una estructura revestida necesita protección sólo en las fallas del recubrimiento (holidays). Veamos los siguientes cálculos para tomar un ejemplo real. ¿Cuál es la corriente requerida para proteger una tubería de acero desnuda de 12 pulgadas (30.48 cm) de diámetro de 5000 pies (1,524 m) de longitud que está enterrada en un suelo de 10,000 ohm-cm de resistividad? Asuma que la experiencia señala que puede alcanzarse un nivel adecuado de protección catódica con 10.76 mA/m2 (1 mA/pie2) de superficie desnuda. Compárela con la corriente necesaria para proteger la misma tubería si ésta está recubierta. Tubería Desnuda Ip (dada) = 1.0 mA/pie2 (10.76 mA/m2) Superficie Total = πdL = π x 0.03045 m x 1524 m = 1459.3 m2 ∴ Ireq = 10.76 mA/m2 x 1459 m2 = 15,708 mA = 15.7 A Tubería Recubierta Supongamos que el recubrimiento es relativamente bueno y que 5% del tubo tiene holidays o defectos. Entonces: Superficie Desnuda = 0.05 x 1459 m2 = 73 m2 ∴ Ireq = 10.76 mA/m2 x 73 m2 = 785 mA = 0 .785 Amp Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:7 Polarización Ya hemos analizado los factores que afectan la polarización, los cuales afectan a su vez la corriente de corrosión. En el caso de una celda de corrosión, un aumento de polarización es deseable ya sea anódica, catódica o ambas, ya que hace disminuir la corriente de corrosión. Para un sistema de protección catódica, un aumento en la polarización catódica es deseable para disminuir el requerimiento de corriente de la estructura. Sin embargo, los ánodos de protección catódica están diseñados para tener una mínima polarización anódica, de manera de aumentar el drenaje de corriente. Efecto del pH del Medio en el Requerimiento de Corriente Por lo general, la corriente requerida para la protección catódica es mayor en medios ácidos que en medios básicos o neutros. Hay dos fenómenos relacionados con esto: (1) un desplazamiento en dirección positiva del potencial catódico de la estructura a circuito abierto, y (2) un achatamiento de la curva de polarización catódica para la estructura, como se indica en la Figura 2.6. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:8 EC,OC2 EC,OC EC,P2 1 Acido Fuerte Acido Débil E EC,P1 EA,OC E’C,P1 E’ 2 C,P Ireq1 _ Ireq2 log i Donde: EC,OC2 = EC,OC1 = EA,OC = EC,P2 = EC,P1 = E’C,P1 = E’C,P2 = Ireq’d1 = Ireq’d2 = Potencial catódico, solución fuertemente ácida, sin corrosión Potencial catódico, ácido débil, sin corrosión Potencial del ánodo Potencial catódico, ácido fuerte, corroyéndose Potencial catódico, ácido débil, corroyéndose Potencial de PC requerido, ácido débil Potencial de PC requerido, ácido fuerte Corriente de PC necesaria para ácido débil Corriente de PC requerida para ácido fuerte Figura 2.6 Efecto del pH del Medio en la Corriente Requerida para la Protección La pendiente de polarización catódica de la estructura se achata cuando aumenta la acidez, ya que aumenta la concentración de iones hidrógeno (H+) reducibles, según la reacción: H+ + e– → H El pH de un electrolito (suelo o agua) no es casi nunca igual a 7 (neutro). Esto se debe a la presencia de diversas especies iónicas en el electrolito como resultado de la hidrólisis de sales (por ejemplo, carbonato de sodio, sulfato de amonio, y otras). Dependiendo de la naturaleza de la sal, el pH puede desplazarse en dirección ácida o básica. Por ejemplo, el sulfato de amonio (una sal ácida) que se usa como fertilizante tiende a disminuir el pH del suelo. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:9 Efecto de la Temperatura en el Requerimiento de Corriente El aumento de la temperatura tiene un efecto despolarizador debido a la mayor velocidad de difusión de especies reducibles en los sitios catódicos, esto es una disminución de la polarización por concentración. Por consiguiente, aumenta la velocidad de la reacción de reducción, disminuyendo el nivel de polarización y aumentando el requerimiento de corriente de protección, como muestra la Figura 2.7. + 2 EC,OC EC,P2 1 EC,OC Temperatura Alta 1 E Temp. EC,P Baja E’C,P1 EA,OC Ireq E’C,P 2 1 _ Ireq 2 log i Donde: EC,OC2 = EC,OC1 = EA,OC = EC,P2 = EC,P1 = E’C,P1 = E’C,P2 = Ireq’d1 = Ireq’d2 = Potencial del cátodo, alta temperatura, sin corrosión Potencial del cátodo, baja temperatura, sin corrosión Potencial del ánodo Potencial del cátodo, alta temperatura, corroyéndose Potencial del cátodo, baja temperatura, corroyéndose Potencial requerido para PC, baja temperatura Potencial requerido para PC, alta temperatura Corriente de PC necesaria para baja temperatura Corriente de PC requerida para alta temperatura Figura 2.7 Efecto de la Temperatura en la Corriente Requerida para la Protección Catódica Además, a un aumento de temperatura aumentará la ionización, y a medida que ésta aumenta, aumenta la conductividad del electrolito, lo que a su vez aumenta la corriente de corrosión y la cantidad de corriente de protección Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:10 catódica requerida para una protección adecuada. También disminuye la polarización por activación debido a que se acelera la reacción electroquímica. Efecto de los Oxidantes en el Requerimiento de Corriente El oxígeno y otros oxidantes aumentan los requerimientos de corriente como resultado del achatamiento de la pendiente de polarización catódica. El oxígeno, por ejemplo, participa en la reacción de reducción catódica: 2H2O + O2 + 4e– → 4OH– reduciendo así la polarización. La Figura 2.8 ilustra este efecto. + 2 EC,OC EC,P2 1 EC,OC Mucho Oxígeno 1 E EC,P Poco Oxígeno E’C,P1 EA,OC E’C,P 2 Ireq 1 _ Ireq 2 log i Donde: EC,OC2 = EC,OC1 = EA,OC = EC,P2 = EC,P1 = E’C,P1 = E’C,P2 = Ireq’d1 = Ireq’d2 = Potencial del cátodo, alta concentración de oxígeno, sin corrosión Potencial del cátodo, baja concentración de oxígeno, sin corrosión Potencial del ánodo Potencial del cátodo, alta concentración de oxígeno, corroyéndose Potencial del cátodo, baja concentración de oxígeno, corroyéndose Potencial PC requerido, baja concentración de oxígeno Potencial PC requerido, alta concentración de oxígeno Corriente PC requerida para baja concentración de oxígeno Corriente PC requerida para mucho oxígeno Figura 2.8 Efecto del Oxígeno en la Corriente Requerida para la Protección Catódica Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:11 En consecuencia, las estructuras en suelos bien aireados, como arena y canto rodado, requieren más corriente de protección catódica que las estructuras rodeadas por suelos relativamente poco aireados, como arcilla. Efecto del Movimiento Relativo entre Estructura y Electrolito en los Requerimientos de Corriente Un aumento en el movimiento relativo entre el electrolito y la estructura genera un aumento en el requerimiento de corriente. Esto se debe principalmente al aumento de disponibilidad de especies reducibles en la superficie de la estructura, y el consiguiente aumento en la velocidad de la reacción de reducción. Este efecto, ilustrado en la Figura 2.9, se presenta en estructuras como hélices de barcos, muelles expuestos al flujo de agua o mareas, estructuras offshore y superficies internas en cajas de agua de condensadores o intercambiadores de calor. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica + 2:12 2 EC,OC EC,P2 1 EC,OC E Con Movimiento EC,P1 Sin Movimiento EA,OC E’C,P1 E’C,P 2 Ireq 1 _ Ireq 2 log i Donde: EC,OC2 = EC,OC1 = EA,OC = EC,P2 = EC,P1 = E’C,P1 = E’C,P2 = Ireq’d1 = Ireq’d2 = Potencial del cátodo, con movimiento, sin corrosión Potencial del cátodo, sin movimiento, sin corrosión Potencial del ánodo Potencial del cátodo, con movimiento, corroyéndose Potencial del cátodo, sin movimiento, corroyéndose Potencial PC requerido, sin movimiento Potencial PC requerido, con movimiento Corriente PC requerida sin movimiento Corriente PC requerida con movimiento Figura2.9 Efecto del Movimiento Relativo en la Corriente Requerida para la Protección Catódica Sin embargo, los requerimientos de corriente no son necesariamente una función lineal de la velocidad del fluido. Si el fluido es laminar, en lugar de turbulento, los requerimientos serán menores. Por ejemplo, un barco en navegación requiere más corriente de protección catódica que uno en reposo; de manera similar, la popa de un barco requiere más corriente que la proa. Corriente Aplicada vs. Velocidad de Corrosión Si no todos los cátodos están suficientemente polarizados en dirección electronegativa, se mantendrá una corriente residual de corrosión (ICORR) y seguirá habiendo algo de corrosión. Véase Figura 2.10. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica + 2:13 EC,OC EC,P ECORR EA,P E EA,OC E’C, P ECPA,P _ ECPA,OC I’CORR ICORR ICP log i Donde: EC,OC = EA,OC = EC,P = EA,P = ECORR = ICORR = ECPA, OC = E’C,P = ECPA,P = ICP = I’CORR = Potencial catódico de la estructura, a circuito abierto, celda de corrosión inactiva Potencial anódico de la estructura, a circuito abierto, celda de corrosión inactiva Potencial catódico de la estructura, celda de corrosión activa, antes de activar la PC Potencial anódico de la estructura, celda de corrosión activa, antes de aplicar la PC Potencial de corrosión con el ánodo y el cátodo de la estructura conectados Corriente de corrosión antes de aplicar la PC Potencial del ánodo de PC, sin corriente de PC Potencial catódico de la estructura con la corriente de PC aplicada [sin alcanzar el potencial a circuito abierto del ánodo (EA,OC)] Potencial del ánodo de PC, corriente PC circulando Corriente de protección catódica entre ánodo de PC y estructura Corriente de corrosión con PC parcialmente aplicada Figura 2.10 Corriente de Corrosión Reducida por la Aplicación de Corriente de Protección Catódica Aún si no se alcanza por completo la protección, la velocidad de corrosión disminuye (véase Figura 2.24). Para reducir la corriente residual de corrosión a cero, la corriente de protección catódica debe aumentarse en forma no directamente proporcional. La relación entre corriente de protección catódica aplicada y la velocidad de la corrosión, es logarítmica. El primer aumento de protección catódica aplicada resulta en la mayor disminución de la corrosión. Por otra parte, la polarización catódica a potenciales más electronegativos que el potencial estático del ánodo no proporciona ningún beneficio y, en casos extremos, puede hasta ser perjudicial para la estructura y/o el recubrimiento. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:14 La llamada sobreprotección puede perjudicar los metales anfóteros y las aleaciones, como aluminio, zinc y plomo, que pueden corroerse a altas velocidades tanto en medios ácidos como básicos. La formación de iones oxhidrilo en el cátodo hace que el pH del electrolito cercano al cátodo se vuelva alcalino. Esto puede dañar a los metales anfóteros y despegar (disbond) el recubrimiento del sustrato. Que la sobreprotección despegue o no el recubrimiento depende del recubrimiento en particular. Para los recubrimientos de tuberías, deben evitarse los valores de potencial polarizado por encima de los -1200 mV. Para recubrimientos en otras estructuras (no tuberías), debe consultarse al fabricante del recubrimiento para determinar si el recubrimiento es compatible con la PC y a qué nivel de potencial. Un exceso de protección puede resultar en el daño por hidrógeno a muchos metales. La fragilización por hidrógeno se analiza más detalladamente en “Fractura por Medio Ambiente (Environmental Cracking).” La Figura 2.11 ilustra la relación logarítmica entre corriente de protección catódica y velocidad de la corrosión. Sobreprotección VELOCIDAD DE CORROSION Metales Anfóteros CORRIENTE DE PROTECCION CATODICA Figura 2.11 Corriente de Protección Catódica vs. Velocidad de Corrosión En algunas circunstancias, el costo de reducir la velocidad de corrosión a cero puede no estar justificado. Una velocidad de corrosión baja, pero no igual a cero, puede ser tolerable y aceptable a fin de minimizar los gastos totales anuales, siempre que la seguridad y las regulaciones gubernamentales lo permitan. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:15 Desde el punto de vista práctico, ¿cómo podemos determinar la cantidad de corriente requerida para mitigar la corrosión en una estructura en un determinado medio? Cuando todos los sitios catódicos se han polarizado al potencial a circuito abierto del sitio anódico más activo, se mitiga la corrosión, pero nosotros no podemos medir el potencial de los ánodos y cátodos individuales. Se requiere entonces un criterio alternativo. Criterios de Protección Catódica En la Sección de Apéndices de este manual encontrará el Standard de NACE SP0169, “Control de la Corrosión Externa en Sistemas de Tuberías Metálicas Sumergidas o Enterradas.” En la Sección 6 de este standard, “Criterios y Otras Consideraciones para la Protección Catódica”, hay varios criterios para determinar si se ha alcanzado el nivel de protección catódica adecuada. Se recomienda que los participantes del curso lean al menos esta sección. Estos criterios se desarrollaron a partir de experimentos de laboratorio o se determinaron empíricamente evaluando datos provenientes de sistemas de protección catódica que operan satisfactoriamente. Pueden usarse en forma independiente o combinándolos. En este curso analizaremos principalmente los criterios para mitigar la corrosión en tuberías de acero y de fundición de hierro. Es importante notar que hay diferentes criterios para el cobre, aluminio, plomo y acero empotrado en hormigón. Las regulaciones gubernamentales referidas a los criterios pueden diferir según el país, y la elección del criterio apropiado puede depender de las regulaciones locales. Hay tres criterios que se aplican al acero: dos de ellos incluyen un potencial estructura-suelo igual o más negativo que -850 mV con respecto a un electrodo de referencia de cobre-sulfato de cobre, y el tercero consiste en un desplazamiento por polarización de 100 mV en la dirección de potenciales más electronegativos. Antes en este capítulo dijimos que el verdadero criterio para mitigar la corrosión es la polarización de toda la estructura al potencial a circuito abierto del sitio anódico más activo sobre la misma estructura. Dado que los criterios descriptos son sólo sustitutos del criterio verdadero, es importante entender en qué se basa cada uno para poder aplicarlos y conocer sus limitaciones. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:16 Criterios en la SP0169 Los tres criterios definidos en el Standard de NACE RPO169 para acero y fundición de hierro (incluyendo hierro dúctil) son: Un potencial negativo (catódico) de al menos 850 milivoltios con la corriente de protección catódica aplicada. Este potencial se mide contra un electrodo de referencia de cobre-sulfato de cobre saturado en contacto con el electrolito. Las caídas de voltaje distintas de las que ocurren a través de la interfase estructura-electrodo, deben considerarse para hacer una interpretación válida de esta medición. E-850 = Eon - IR Un potencial polarizado negativo de al menos 850 milivoltios con respecto a un electrodo de referencia de cobre-sulfato de cobre saturado (potencial denominado como Instant Off) Un mínimo de 100 milivoltios de polarización catódica entre la superficie de la estructura y un electrodo de referencia estable en contacto con el electrolito. A fin de satisfacer este criterio, puede medirse la formación o la pérdida de la polarización. ΔE100 = EOFF – EDESPOLARIZADO ó ΔE100 = EOFF - ECORR NOTA: Para obtener los criterios más recientes y la información acerca de su aplicación, es necesario consultar la versión más reciente de NACE. Fundamento de los Criterios SP0169 Potencial de -850 mVCSE para el Acero Para cualquier metal, su nivel más alto de energía se da cuando es nuevo o está “brillante y reluciente”. Las mediciones de laboratorio de muestras de acero nuevo en muchos suelos diferentes indican que el potencial de corrosión más Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:17 activo está entre los -800 y los -850 mV con respecto a un electrodo de referencia de cobre-sulfato de cobre saturado. Por lo tanto, si se polariza una estructura de acero hasta los -850 mV se satisface el verdadero criterio basado en el sitio anódico más activo, de -850 mV. Si el potencial de una determinada estructura es inferior a los -850 mV, este criterio es conservador para mitigar la corrosión, como se muestra en la Figura 2.12. El nivel de polarización de -850 mV está comprobado además por la aplicación en ensayos de larga duración de laboratorio de este valor a cupones de prueba. En general hay consenso en que este criterio reduce la corrosión a aproximadamente un (1) mil/año [0.0254 mm/año]. El potencial de -850 mV es la base de los primeros dos criterios. La diferencia entre ambos criterios se analizará más adelante en la sección correspondiente a la Caída IR. + EC,OC Estructura polarizada a 850 mVcse, potencial del sitio anódico más activo EC,P ECORR E EA,OC EA,P E’C,P ECPA,P 850 mV _ ECPA,OC I CORR Donde: EC,OC = EA,OC = EC,P = EA,P = ECORR = ICORR = ECPA, OC = E’C,P = ECPA,P = ICP = ICP Potencial catódico de la estructura, a circuito abierto, celda de corrosión inactiva Potencial anódico de la estructura, a circuito abierto, celda de corrosión inactiva Potencial catódico de la estructura, celda de corrosión activa, antes de aplicar la PC Potencial anódico de la estructura, celda de corrosión activa, antes de aplicar la PC Potencial de corrosión con el ánodo y el cátodo de la estructura conectados Corriente de corrosión antes de aplicar la PC Potencial del ánodo de PC, sin corriente de PC Potencial catódico de la estructura con la corriente de PC aplicada Potencial del ánodo de PC, corriente PC circulando Corriente de protección catódica entre ánodo de PC y estructura Figura 2.12 Estructura polarizada a –850 mVCSE Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica Polarización de 100 Milivoltio Si bien la polarización de una estructura de acero a -850 milivoltios suministra una protección catódica adecuada, puede llegar a ser demasiado conservadora o demasiado costosa en el caso de estructuras más antiguas. Para éstas, el sitio anódico más activo puede ser mucho más noble que -850 mV. Por lo tanto, el potencial de corrosión (ECORR) o mixto es más noble en estructuras más viejas. A partir de los datos de laboratorio y de datos provenientes de sistemas de protección catódica exitosos, se ha determinado que un mínimo de 100 mV de polarización en una estructura proveerán una protección catódica adecuada. La Figura 2.13 ilustra esta situación, en que la estructura se polariza hasta un punto (E’C,P) que es 100 mV más activo que ECORR. Si bien puede haber aún un poco de corrosión indicada por el punto I’CORR, la reducción de la corrosión es significativa. (Tenga en cuenta que la escala es logarítmica.) El criterio de 100 mV también es aplicable a otros metales que no sean acero y con celdas de referencia distintas a la de cobre-sulfato de cobre. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 2:18 Fundamentos de Protección Catódica + EC,OC E ECORR EA,OC EC,P E’C,P ECPA,P EA,P _ 2:19 Polarización 100 milivoltios ECPA,OC ICORR ICP Donde: EC,OC = EA,OC = EC,P = EA,P = ECORR = ICORR = ECPA, OC = E’C,P = ECPA,P = ICP = I’CORR = Potencial catódico de la estructura, a circuito abierto, celda de corrosión inactiva Potencial anódico de la estructura, a circuito abierto, celda de corrosión inactiva Potencial catódico de la estructura, celda de corrosión activa, antes de aplicar la PC Potencial anódico de la estructura, celda de corrosión activa, antes de aplicar la PC Potencial de corrosión con el ánodo y el cátodo de la estructura conectados Corriente de corrosión antes de aplicar la PC Potencial del ánodo de PC, sin corriente de PC Potencial del cátodo de la estructura con la corriente de PC aplicada (polarización de 100 mV) Potencial del ánodo de PC, con la corriente de PC circulando Corriente de protección catódica entre el ánodo de PC y la estructura Corriente de corrosión con una PC aplicada de 100 mV Figura 2.13 Polarización de 100 mV Potencial Polarizado Dado que la protección catódica es un fenómeno de polarización, el potencial polarizado de la estructura es el que debe medirse para determinar el nivel de protección que recibe. La siguiente es la definición de potencial polarizado: El potencial a través de la interfase estructura/electrolito, que es la suma del potencial de corrosión y la polarización catódica. El potencial que interesa a la hora de determinar si la protección catódica es adecuada, es el potencial polarizado en la interfase estructura/electrolito (Figura 2.14). Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:20 -.900 v _ + Ubicación preferida del E.R. Ubicación habitual del electrodo de referencia Zona de Polarización Interfase- estructura / electrolito Boundary Figura 2.14 Medición del Potencial Estructura-Electrolito en la Superficie El circuito de medición puede ser presentado en forma de circuito eléctrico, tal como se ve en las Figuras 2.15 (a) y 2.15 (b). Rtl,1 Rtl,2 Rm donde: where: eter input resistance Rm = voltm Resistencia de entrada del voltímetro lead resistance Resistencia de conductores Rt,l = test Rtl,3 Im Rr,e Etrue Vm = resistance Resistencia a tierra de la referencia Rr,e = reference-to-earth eter current Im = m Corriente en circuito de medición Rp,e donde: Resistencia a tierra de tubería resistance Rp,e = pipe-to-earth Epp- _Eref Eref Etrue = E but is assumed to be zero Pero E Eref ref se asume igual a cero Rm × E true Rt Figura 2.15(a) Esquema eléctrico del Circuito de Medición del Potencial de la Estructura con respecto al Electrolito. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:21 where: Donde: Vm Vm = Ep ± Ve ± Vstr Rm Im Punto Drain Point de drenaje Vstr Ve - CP Fuente Source PC + Icp Ve = caída de potencial en el terreno entre la referencia y la estructura. Vstr = caída de potencial en la estructura entre el punto de contacto y la ubicación de la referencia where : Vm = E p ± Ve ± Vstr Figura 2.15 (b) Esquema Eléctrico donde se indican las Caídas de Voltaje externas al Circuito de Medición. Sin embargo, cuando se mide un potencial, el resultado es la suma algebraica de todas las caídas de potencial en el circuito, como se muestra en las Figuras 2.15. Para que el potencial medido represente el potencial polarizado en la interfase estructura-electrolito, todas las otras caídas de potencial del circuito deben ser despreciables. Dado que el voltaje (o caída IR) es producto de la corriente y la resistencia, el voltaje disminuye cuando disminuyen la corriente o la resistencia. Cuando hablamos de corriente generalmente nos referimos a la corriente de protección catódica aplicada; sin embargo, la corriente de medición o las corrientes vagabundas pueden ser significativas. La corriente del circuito de medición es pequeña si la resistencia de entrada del instrumento es grande. Las caídas de voltaje en el circuito de medición son despreciables en las siguientes condiciones: • Pasos metálicos – cuando son de poca longitud o la superficie de la sección perpendicular a la corriente es grande. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:22 • Contacto entre celda de referencia y electrolito – cuando el contacto está húmedo o tiene una superficie de contacto considerable. • Puntos de conexión — cuando los contacto metal/metal son buenos. • Circuito interno del instrumento — cuando se usa un instrumento de alta impedancia de entrada. • Electrolito — cuando la resistividad y/o la densidad de la corriente de protección catódica son bajas. Todas las caídas de voltaje en el circuito de medición son controlables excepto la del electrolito. La caída IR en el electrolito puede reducirse prácticamente a cero colocando el electrodo de referencia cerca de la estructura o interrumpiendo el flujo de corriente. Además de tratar de que la caída IR sea despreciable, otro enfoque es determinar su magnitud mediante medición o cálculos, y ajustar el potencial medido restándole la caída IR. Aplicación de los Criterios El primer criterio, un potencial de -850 mVCSE con la corriente aplicada, se basa en una caída IR despreciable o en eliminar esta caída IR de la medición. Debe tenerse en cuenta la estructura específica en cada caso y el medio para determinar si la caída IR es despreciable antes de emplear este criterio. Por lo general la caída IR es despreciable cuando la densidad de corriente y/o la resistividad son bajas. El segundo criterio, un potencial polarizado de -850 mVCSE, se basa en eliminar la caída IR durante la medición, ya sea por la eliminación de la resistencia (electrolito) o de la propia corriente. Si el potencial se mide en la interfase estructura/electrolito, el electrolito no está más en el circuito de medición, y su resistencia es igual a cero. Si se interrumpe la corriente de protección catódica, la corriente es cero. Recuerde que la polarización se disipará cuando se interrumpa la corriente, y la polarización es la medición que nos interesa. Por lo tanto, al interrumpir la corriente, el potencial debe medirse “instant off,” que significa el potencial después de eliminar la caída IR pero antes de que la polarización comience a disiparse. El criterio de polarización de 100 mV puede aplicarse comenzando con el potencial de corrosión conocido o el potencial polarizado de la estructura, o Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:23 determinando el otro. De hecho, este criterio se basa en la diferencia entre estos dos potenciales. Por supuesto, la caída IR debe eliminarse de la medición del potencial “on” para determinar el potencial polarizado. En la práctica, para una estructura que no tiene protección catódica, la técnica de medición puede requerir medir primero el potencial de corrosión. Una vez hecho esto, se aplica la corriente hasta que la estructura se polarice. Entonces se interrumpe momentáneamente la corriente para poder medir el potencial polarizado. Para evaluar si una estructura está catódicamente protegida, se empieza con la interrupción momentánea de la corriente para determinar el potencial polarizado. Luego, con la corriente interrumpida, se monitorea la disipación del potencial polarizado. Cuando ya no se verifica ningún desplazamiento de potencial en el tiempo, éste es el potencial de corrosión despolarizado de la estructura. La Figura 2.16 muestra una medición de despolarización. -Potencial ON Potencial IR -Potencial Instant OFF 100 mV Polarización Depolarización + Potencial Despolarizado t=0 Tiempo Figura 2.16 Ejemplo de una Curva de Despolarización La protección no efectiva o parcial puede ser resultado de condiciones anormales; entre ellas, temperaturas elevadas, recubrimientos despegados, pantalla eléctrica, ataque bacteriológico y la presencia de contaminantes inusuales en el electrolito. Otros Criterios Aluminio Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:24 El criterio para proteger el aluminio basado en la SP0169 de NACE es el que fija un mínimo de 100 mV de polarización entre la superficie de la estructura y un electrodo de referencia estable en contacto con el electrolito. El aluminio es un metal anfótero. Esto quiere decir que se corroe en condiciones tanto ácidas como alcalinas. El potencial polarizado no debe exceder los -1200 mVCSE entre la superficie del tubo y un electrodo de referencia de cobre-sulfato de cobre saturado, para evitar la acumulación de álcalis en la superficie, lo que podría aumentar la velocidad de corrosión. Si el pH del medio es superior a 8.0, debe evaluarse la situación antes de aplicar protección catódica. Los metales anfóteros deben aislarse de cualquier otro metal del sistema y se los debe proteger en forma separada. Cobre El criterio para la protección catódica del cobre según la SP0169 de NACE es un mínimo de 100 mV de protección catódica entre la superficie de la estructura y un electrodo de referencia estable en contacto con el electrolito. En el caso de que haya tuberías de distintos metales, se requiere alcanzar un voltaje negativo entre todas las superficies de los tubos y un electrodo de referencia estable, por lo menos igual al potencial del metal más anódico. Estructuras de Hormigón Reforzado La SP0290 de NACE, “Protección Catódica del Acero de Refuerzo en Estructuras Expuestas a la Atmósfera” especifica dos criterios para el acero de refuerzo en el hormigón. Uno de estos criterios consiste en que la estructura alcance a lograr 100 mV o un decaimiento de 100 mV de polarización, dentro de las cuatro horas a partir de la interrupción de la corriente. El segundo criterio establece que el potencial polarizado sea al menos tan negativo como el potencial de la base de la Pendiente de Tafel en una curva ELog I. El ensayo E-Log I se realiza aumentando la corriente de protección catódica en el sistema. En cada intervalo, se mide el potencial de caída IR del acero de refuerzo con respecto a un electrodo de referencia estable. El gráfico de potencial en función de la corriente aplicada se llama gráfico E-Log I. La porción recta de la curva se conoce como Pendiente de Tafel y corresponde a la línea EC,P-E’C,P de la Figura 2.10. El potencial estructura-electrodo de referencia en la base de la Pendiente de Tafel estará por encima del punto ECORR, y en este punto, la cantidad de corrosión estará significativamente reducida (aunque no completamente eliminada). Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:25 Un tercer criterio de esta norma establece que el potencial polarizado es estadísticamente más negativo que la desviación standard de los potenciales naturales. Otras Prácticas Recomendadas de NACE International La NACE RP0285 “Control de Corrosión en Sistemas de Tanques de Almacenamiento Enterrados Mediante Protección Catódica.” Los criterios son similares a los de la SP0169 de NACE. La NACE SP0388 “Protección Catódica por Corriente Impresa de las Superficies Internas Sumergidas de Tanques de Acero de Almacenamiento de Agua.” El criterio 1) es de –850 mV con respecto a un electrodo de referencia de cobre-sulfato de cobre, o bien 2) un mínimo de 100 mV de polarización entre la superficie del tanque y un electrodo de referencia estable haciendo contacto con el mismo electrolito. El criterio de 100 mV es únicamente aplicable a tanques de agua de acero al carbono, que no presenten celdas de corrosión existentes por el contacto con otros metales más nobles como cobre, bronce o acero inoxidable pasivo. También existe un llamado de atención para evitar deterioros del recubrimiento a potenciales por encima de -1.100 mV. La NACE SP0169 “Control de la Corrosión Externa en Tuberías Metálicas Enterradas o Sumergidas”. Los tres criterios incluidos en esta Norma son: 1) -850 mV referidos a un electrodo de cobre-sulfato de cobre considerando la caída IR descontada de ese potencial. 2) -850 mV como potencial polarizado o de polarización referidos a un electrodo de cobre-sulfato de cobre saturado; 3) un mínimo de 100 mV de polarización entre la superficie de la estructura y un electrodo de referencia estable. Para verificar si este criterio es satisfecho se puede utilizar la formación o la pérdida de la polarización. La NACE RP0196 “Protección Catódica de Superficies Internas de Tanques de Almacenamiento de Agua por Ánodos Galvánicos” Esta Norma utiliza el criterio de -850 mV con corriente aplicada, y el criterio de -850 mV como potencial polarizado descriptos para la Norma SP0169. La NACE SP0575 “Sistemas de Protección Catódica en Recipientes de Tratamiento de Petróleo” Esta Norma utiliza el criterio de -850 mV vs. un electrodo de cobre-sulfato de cobre para recipientes de acero. El criterio se modifica a -950 mV (referido al electrodo de cobre-sulfato de cobre) si hay sulfuros presentes en el medio. También especifica una densidad de corriente Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:26 de 10 mA/ft2 (110 mA/m2) como criterio alternativo. El historial de fallas también es un criterio. La NACE RP0180 “Protección Catódica de Estructuras para el Tratamiento de Efluentes en la Industria del Papel”. Esta práctica recomendada utiliza los criterios de la SP0169. Además, la norma define protección como la polarización de toda la superficie al potencial del ánodo más activo. La NACE RP0193-2001 “Protección Catódica Externa de Fondos de Tanques Metálicos de Almacenamiento Sobre Nivel (AST)”. Esta Norma utiliza el mismo criterio de la Norma SP0169 medido en la parte perimetral del tanque, en el centro y en zonas intermedias entre el centro y el perímetro. El potencial en la zona perimetral no refleja necesariamente el valor del potencial en el centro del tanque, cuando los ánodos están instalados en forma perimetral. International Standard ISO 15589-1 Petróleo y Gas Natural-Protección Catódica de Tuberías de Transporte. Parte 1 Tuberías Terrestres • Potencial estructura a electrolito elegido para que la velocidad de corrosión sea inferior a 0.01 mm/año (0.39 mils/año) • Un potencial polarizado más negativo a –850 mVCSE • Potencial no debe superar el valor critico para hacerse más negativo que –1,200 mVCSE • En presencia de suelos anaeróbicos o bacterias sulfato reductoras (SRB) el potencial debe ser más negativo que –950 mVCSE • Suelos de alta resistividad –750 mVCSE para resistividades 100 Ω-m < ρ < 1,000 Ω-m –650 mVCSE para ρ > 1,000 Ω-m • Polarización Catódica de 100 mV Advertencias: Evitar el uso del criterio de 100 mV cuando existen condiciones de altas temperaturas, SRB, corrientes de interferencia, corrientes de ecualización, corrientes telúricas, metales disímiles o condiciones donde se puede tener susceptibilidad al SCC (stress corrosion cracking) a potenciales más positivos que –850 mVCSE. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:27 American Water Works Association (AWWA) D104-97 “Protección Catódica por Corriente Impresa Controlada en Forma Automática para el Interior de Tanques de Agua de Acero.” Este standard especifica un criterio de -850 mV a -1050 mV de potencial polarizado con respecto a un electrodo de referencia de cobre-sulfato de cobre. Criterios Internacionales Asociaciones de Otras American Petroleum Institute (API) La Práctica Recomendada de API 651 “Protección Catódica de Tanques de Almacenamiento de Petróleo A Nivel.” Hace referencia a la SP0169 de NACE para la protección catódica externa y a las SP0575 y SP0388 de NACE para protección catódica interna. Este standard suministra información adicional. La Práctica Recomendada de API 1632 “Protección Catódica de Tanques y Sistemas de Tuberías Enterrados de Almacenamiento de Petróleo.” Los criterios son similares a la RP0285 de NACE. Standards de Ingeniería de Saudi Aramco (SAES-X-400) • Tuberías: un mínimo de –1200 mV y un máximo de -3000 mV con respecto al CSE con la corriente aplicada (ON) • Válvulas y Tubos a la salida de Estaciones de Compresión: un mínimo de – 1000 mV y un máximo de –3000 mV con respecto al CSE con la corriente aplicada (ON) • Uniones de tubos, estaciones de bombeo, estaciones de compresión: un mínimo de –1050 mV y un máximo de –3000 mV con respecto al CSE con la corriente aplicada (ON) Petroleum Development of Oman (PDO-65-12) • Un mínimo de –850 mV instant-off con respecto al CSE. potenciales más negativos que–1200 mV CSE (off) Abu Dhabi National Oil Company (ADNOC) Acero en suelos: –950 a –1150 mV instant off CSE Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Evitar Fundamentos de Protección Catódica 2:28 –900 a –1100 mV instant off SSC Acero en hormigón: –700 a –1100 mV instant off CSE –650 a –1050 mV instant off SSC Acero en agua: –850 a –1050 mV instant off CSE –800 a –1000 mV instant off SSC Canadá El standard de CSA Z662-96, “Sistemas de Tuberías de Gas y Petróleo” hace referencia a la Práctica Recomendada de CGA OCC-1 “Para el Control de la Corrosión Externa de Sistemas de Tuberías Metálicas Enterradas o Sumergidas” en cuanto a los criterios y métodos. Los criterios son los mismos que los de la Práctica Recomendada de NACE International, con excepción de una condición cuando se aplica el criterio de 100 mV. El potencial polarizado debe ser más negativo que – 770 mV si hay sospecha de susceptibilidad a SCC (stress corrosion cracking). La Norma Z169 de CSA se refiere a la protección catódica del aluminio. Australia La Norma No. 2832 del Australia Standards Institute. Tiene tres partes –la Parte 1 se refiere a tubos, cables y ductos, la Parte 2 a estructuras enterradas, y la Parte 3 a estructuras sumergidas fijas. Los criterios son los mismos que los de la SP0169 de NACE. Japón Manual de Protección Contra la Corrosión y Reparación para Estructuras de Acero en Puertos y Muelles, The Overseas Coastal Area Development Institute of Japan, 1998. Este documento lista los criterios para la protección catódica del acero en agua de mar: –770 mV vs. electrodo de calomel saturado –780 mV vs. plata-cloruro de plata –850 mV vs. electrodo de cobre-sulfato de cobre Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:29 El documento también lista la densidad de corriente de protección: 100 50 Áreas contaminadas, mA/m2 130 a 150 65 a 75 20 10 30 10 Zonas limpias, mA/m2 Agua de mar Resaca Marina Lodo marino Suelo La Parte 1 de la Japanese Port Authority Association, Criterios y Discusión de Tecnología de Instalaciones Portuarias. Este documento lista los mismos criterios y requerimientos de corriente descriptos arriba. El Manual de Protección Catódica para Tubos de Agua de Acero Revestido de la Japanese Water Piping Association, WSP-050-95. Este documento especifica el criterio de –850 mV con respecto a un electrodo de referencia de cobre-sulfato de cobre E log i Para usar la técnica de E log i, hay que construir una curva de polarización catódica de la estructura. Los datos de esta curva se obtienen aplicando corrientes cada vez mayores y midiendo el potencial polarizado de la estructura a cada valor de corriente. Hay varios factores importantes a la hora de realizar este ensayo. El intervalo de tiempo entre mediciones debe ser lo más constante posible para evitar distorsiones debidas al cambio de la polarización en el tiempo. El rango de corrientes a utilizar en el ensayo debe extenderse al menos hasta un factor 10 veces mayor que el requerimiento de corriente estimado para la protección. Además, al potencial medido debe corregírsele por el error por caída óhmica para obtener un potencial polarizado (instant OFF). Los datos se vuelcan en papel semi-logarítmico, y el resultado es el que se muestra en la Figura 2.17. Los datos podrían ser primero representados en escala lineal para asegurar que la gráfica se desvía efectivamente de una relación lineal. En medios relativamente desaireados, como el casing de un pozo, la curva de polarización con frecuencia exhibe un comportamiento lineal (Tafel) con Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 Fundamentos de Protección Catódica 2:30 corrientes más elevadas. Normalmente se dibuja una línea recta tangente a la porción de Tafel de la curva y se extiende hacia el eje de la ordenada. A partir de esta extensión de la línea de Tafel pueden hacerse varias interpretaciones. La más común es la que afirma que la corriente requerida para alcanzar una protección completa está determinada por el punto en que la tangente se separa de la línea. En la Figura 4.17, esta separación se da a aproximadamente 2 A de corriente. Nótese que los primeros puntos en la curva de la figura 2.17 definen una curva. El resto de los puntos conforman una línea recta en el gráfico semi-logarítmico. El punto en el que cesa la curvatura y comienza la línea recta representa el comienzo de la zona de Tafel, dónde desaparece la mayor parte de la corrosión. Algunos consideran a Ecp como un potencial adecuado para la protección catódica, con el método E-log i. 10 Corriente, (A) ICP 1 Pendiente de Tafel ECORR 0,1 ECP 0,01 500 550 600 650 Potencial Polarizado,-mV CSE (libre IR) Figura 2.17 Polarización Catódica en una Grafica Log I Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 1/2010 700 CAPITULO 3 Sistemas de Protección Catódica Hay dos tipos de sistemas de protección catódica: • Galvánico • Corriente Impresa Componentes de un sistema de Protección Catódica Galvánica En un sistema de protección catódica con ánodos galvánicos hay cuatro componentes básicos: (1) el ánodo, (2) el relleno anódico (backfill), (3) una forma de conexión entre el ánodo y la estructura, y (4) la estructura (ver Figura 3.1.) CORRIENTE URA T C RU EST CORRIENTE Figura 3.1 Protección Catódica con Ánodos Galvánicos Ánodos Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 ANODO Sistemas de Protección Catódica 3:2 La protección catódica galvánica funciona según el principio de que un metal más activo conectado a un material menos activo formará una celda de corrosión galvánica. Esto lo usamos en nuestro provecho, para proteger el metal menos activo. La aleación más activa se corroerá (se “sacrificará”) para proteger el otro metal; por lo tanto, estos ánodos se llaman ánodos de sacrificio (ver Fig. 3.2.) Metal Noble Flujo de Corriente Metal Activo ELECTROLITO Figura 3.2 Celda de Corrosión Galvánica La serie galvánica práctica de metales (Tabla 3-1) muestra tres metales más activos que el hierro. (Nota: una serie fem o tabla galvánica más completa mostrará otros metales más activos que el hierro, pero estos tres son los más útiles.) Los metales activos más comúnmente usados como ánodos para proteger aleaciones de hierro, cobre y plomo, son aleaciones de magnesio, zinc y aluminio. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:3 Tabla 3.1 Serie Galvánica Práctica en Agua de Mar Metal Magnesio Zinc Aluminio Acero al Carbono Limpio Acero al Carbono Oxidado Hierro Dúctil/de Fundición Plomo Acero en Hormigón Cobre Hierro Alto Silicio Grafito, Carbón Voltios vs. Cu-CuSO4 Extremo Anódico o Activo –1.60 a –1.75 –1.10 –1.05 –0.50 a –0.80 Voltios vs. Ag-AgCl Extremo Anódico o Activo –1.55 a –1.70 –1.05 –1.00 –0.45 a –0.75 –0.20 a –0.50 –.015 a –0.45 –0.50 –0.45 –0.50 –0.20 –0.20 –0.20 +0.30 Extremo Noble o Catódico –0.45 –0.15 –0.15 –0.15 +0.35 Extremo Noble o Catódico Las aleaciones de magnesio, zinc y aluminio se han desarrollado para permitir al ánodo permanecer activo y extender su vida útil. Con frecuencia, las formas puras de estos metales no son aptas como ánodos porque sufren demasiada “autocorrosión” en el medio y no permanecen activos. Las aleaciones de ánodos galvánicos incluyen: • Magnesio Los ánodos de magnesio están disponibles en dos aleaciones: una aleación de alto potencial con un potencial de corrosión nominal de –1.75 V con respecto al electrodo de cobre-sulfato de cobre, y una aleación de bajo potencial con un potencial de corrosión nominal de –1.55 V con respecto al electrodo de cobre-sulfato de cobre. Por lo general, el magnesio se usa en suelos y en agua dulce. Aleación Standard – uso en suelos de baja resistividad y agua Aleación de Alto Potencial – suministra una mayor fuerza impulsora que la aleación standard • Zinc Los ánodos de zinc también tienen dos aleaciones disponibles comercialmente, una para uso en suelos y la otra para aplicaciones en agua de mar. El zinc puede sufrir una rápida corrosión intergranular a Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:4 temperaturas mayores de 120°F (49°C). A temperaturas de más de 130°F (54°C) y especialmente en presencia de carbonatos, el zinc puede pasivarse, causando la corrosión del acero, ya que la película (film) pasiva puede tener un potencial más noble que el del acero. MIL-A-18001 o ASTM B418 Tipo I – uso en agua salada y agua salobre ASTM B418 Tipo II – alta pureza para uso enterrado y en agua dulce • Aluminio Los ánodos de aleaciones de aluminio se usan principalmente en aplicaciones marinas y se producen en una variedad de aleaciones, de las cuales las aleaciones con mercurio e indio son las más comunes. La aleación con indio tiene un potencial ligeramente más alto (más electronegativo) que la aleación de mercurio, pero es en general de menor eficiencia que la aleación de mercurio. El aluminio es preferido para aplicaciones en agua de mar, dado su menor consumo comparado con el magnesio o el zinc. Los ánodos de aluminio no son utilizados en aguas dulces, con alguna excepción en la que han sido utilizados como ánodos de corriente impresa. No son utilizados enterrados. Una aleación de aluminiozinc-indio es utilizada como ánodo de sacrificio para aplicaciones de protección catódica de estructuras de hormigón reforzado. Los ánodos de aluminio son comúnmente usados en recipientes de procesos que contienen salmueras. A temperaturas superiores a 120ºF (49ºC) la eficiencia generalmente se reduce. Galvalum I™ - contiene zinc y mercurio para uso en agua de mar Galvalum II™ - contiene zinc y mercurio para uso en lodo salino Galvalum III™ - contiene zinc e indio para uso en agua de mar, aguas salobres, y lodo salino Los ánodos galvánicos vienen en una gran variedad de formas y tamaños para aplicaciones específicas. Pueden fabricarse en formas y tamaños a medida. Para medios marinos (plataformas), pueden fabricarse ánodos galvánicos duales con una cobertura externa de metal altamente activo (por ejemplo, magnesio) sobre un núcleo de metal menos activo (por ejemplo, zinc). Se usan para suministrar una elevada densidad de corriente inicial para alcanzar Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:5 la polarización de protección catódica en estructuras offshore. Una vez alcanzado el potencial de protección, el ánodo menos activo puede mantener una polarización de protección catódica adecuada. EFICIENCIA DE ANODOS GALVANICOS La eficiencia de un ánodo galvánico es una función del tipo de aleación y del medio en el cual opera el ánodo. El consumo de cualquier metal es directamente proporcional a la cantidad de corriente drenada. Para los ánodos galvánicos, parte de esta corriente es la que se provee a la estructura para su protección catódica y otra parte está relacionada con las celdas de corrosión presentes en el metal. La eficiencia del ánodo es la relación entre el material consumido por efecto de la corriente útil de protección, con respecto al total de material consumido. Para el magnesio por ejemplo, la eficiencia del ánodo es generalmente menor al 50%, mientras que para el zinc puede llegar a un 90%. Aplicaciones de Sistemas de Ánodos Galvánicos Los sistemas de ánodos galvánicos son utilizados en los siguientes casos: • Cuando se requiere una corriente relativamente baja. • Generalmente en electrolitos de baja resistividad. • Para proveer corriente de protección catódica en forma localizada sobre una zona específica de una estructura. Muchas veces se instalan ánodos galvánicos en aquellas zonas donde ha sido detectada y posteriormente reparada una falla, más que instalar sobre la totalidad de la estructura. Ese tipo de prácticas es bastante usual en casos donde la estructura es desnuda o pobremente recubierta, donde un sistema integral de protección catódica no podría ser factible de realizar por el elevado costo. • Cuando es necesario agregar corriente de protección en algún área problemática. Algunas estructuras con sistemas integrales de corriente impresa pueden presentar algunos puntos aislados donde es necesario proveer corriente adicional. Estos requerimientos pueden ser cubiertos por ánodos galvánicos. • Válvulas enterradas con recubrimiento deficiente. • Interior de tanques de almacenamiento de agua. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:6 • Casing (tubo camisa) en corto circuito que no puede ser eliminado. • Tanques de almacenaje enterrados • Tramos aislados donde el recubrimiento ha sido considerablemente dañado • Áreas donde un apantallamiento eléctrico impide una buena distribución de corriente provista por sistemas de corriente impresa instalados en forma remota de la estructura. • En aquellos casos de interferencia catódica, y si las condiciones son las adecuadas, los ánodos galvánicos pueden ser utilizados para descargar la corriente de interferencia. • Proveer corriente de protección a estructuras que están muy cerca de otras estructuras metálicas, y en donde puede ser difícil instalar corriente impresa sin el peligro de crear corriente de interferencia. Los ánodos galvánicos pueden ser una elección adecuada en estas condiciones para proveer una fuente de protección catódica. • Los ánodos galvánicos pueden ser utilizados para la protección del interior de cajas de agua en intercambiadores de calor y otro tipo de recipientes. Son utilizados también en calentadores de petróleo (oil heater-treater) dependiendo de la calidad del recubrimiento interno, de la composición química del fluido y de la temperatura. • En estructuras off-shore (costa afuera), donde en general se utilizan grandes ánodos galvánicos para proteger los componentes sumergidos. Relleno Anódico Los ánodos de zinc y magnesio usados en aplicaciones de protección catódica en suelos vienen pre-empaquetados con un material de relleno dentro de una bolsa de tela. Este relleno especial evita el contacto directo del ánodo con el suelo para eliminar la corrosión localizada del ánodo, evita la pasivación del ánodo causada por las reacciones con sales del suelo, proporciona un medio de baja resistividad alrededor del ánodo y se expande cuando se moja, llenando el pozo y evitando espacios vacíos. El material de relleno más común está compuesto por 75% yeso hidratado, 20% bentonita, y 5% sulfato de sodio. Los ánodos de zinc también pueden empaquetarse con un relleno que consiste en un 50% de yeso hidratado y un 50% de bentonita. Dado que los ánodos de zinc Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:7 son normalmente instalados en suelos de baja resistividad, no es necesario el agregado de sulfato de sodio a la composición del relleno. Cableado y Conexiones Los ánodos galvánicos pueden ser conectados directamente a la estructura soldándolos o por fijación mecánica de planchuelas integradas a la masa del ánodo, por ejemplo, ánodos para cascos de barco y ánodos brazalete, o bien conectando un cable entre el ánodo y la estructura. Si se usa un cable, el fabricante se encarga de conectarlo al ánodo. Luego se conecta a la estructura mediante una conexión mecánica, soldadura exotérmica u otro método metalúrgico apropiado. El método preferible es la soldadura exotérmica, ya que suministra la conexión más confiable. El cable debe estar revestido con un aislante dieléctrico y las conexiones también deben revestirse. Componentes de Protección Catódica por Corriente Impresa Los componentes de un sistema de protección catódica por corriente impresa son ánodos, relleno anódico, una fuente de energía (rectificador), cableado y conexiones. Los ánodos usados en sistemas de PC de corriente impresa son diferentes de los que se usan en sistemas galvánicos. Los ánodos de corriente impresa se fabrican con materiales que se consumen lentamente. Los sistemas de PC por corriente impresa generalmente funcionan a niveles más altos de corriente y voltaje que los sistemas de ánodos galvánicos. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:8 Figura 3.3 Sistema de Protección Catódica por Corriente Impresa Aplicaciones de la Protección Catódica por Corriente Impresa Los sistemas por corriente impresa se usan comúnmente: • Para requerimientos de corriente grandes, especialmente en estructuras desnudas ó mal recubiertas • En electrolitos de cualquier resistividad • Como una forma económica de proteger estructuras en las que los ánodos galvánicos se han consumido • Para corregir problemas de corrientes vagabundas o interferencia catódica • Para proteger grandes cajas de agua en condensadores, calentadores de petróleo, y otros recipientes • Para el interior de tanques de almacenamiento de agua • Para el exterior de fondos (tanto primarios como secundarios) de tanques de almacenamiento a nivel • Para tanques de almacenamiento enterrados • Para componentes sumergidos en estructuras marítimas (off-shore) • Para pilotes de fundación y tableestacados, tanto enterrados como sumergidos. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:9 Ánodos • Grafito Los ánodos de grafito se usan en suelos, agua de mar en movimiento y lodo. Son prácticamente inmunes al ataque de cloro. Los ánodos de grafito generalmente se impregnan con un sellador para evitar fallas mecánicas producidas por la evolución de gas en los poros. El grafito es frágil. Las velocidades de consumo son de 0.45 kg/A-año en agua de mar, 0.9 kg/A-año en relleno, y 1.36 kg/A-año en barro. Generalmente los ánodos de grafito son fabricados en forma de cilindros. • Polímero Conductor El carbón se usa como agregado en polímeros que tienen un núcleo de cobre para usarlos como ánodos de corriente impresa. Este tipo de ánodo parece un cable aislado pero la cubierta es conductora. (Nota: este tipo de ánodo no debe usarse cuando se necesita cable aislado dieléctricamente). Este material drena un máximo de 16 mA/pie de material (51 mA/ metro). El carbón también se ha usado como elemento conductor en recubrimientos a base de agua o solvente como ánodo para proteger estructuras de hormigón reforzado. • Aleaciones de Hierro-Silicio-Cromo El hierro con alto contenido de silicio es una aleación químicamente resistente que contiene silicio, cromo y hierro. Estos ánodos se usan comúnmente en agua dulce, agua de mar o aplicaciones enterradas. Esta aleación es muy frágil y forma una película de SiO2 en la superficie cuando está enterrado, lo que puede aumentar la resistencia del ánodo en medios relativamente secos. La velocidad de consumo del hierro silicio va de los 0.25 a 1 kg/A-año. (0.55 a 2.20 libras/A-año). • Plomo Las aleaciones de plomo-plata se han usado para aplicaciones marinas. Cuando circula la corriente anódica, el plomo desarrolla una película conductora de PbO2 que evita el deterioro del plomo. La velocidad de consumo de las aleaciones de plomo-plata está en el orden de los 0.09 kg/A-año (0.2 libras/A-año). Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:10 En aplicaciones marinas también se ha usado plomo extruído con hebras de platino. El objetivo de las hebras de platino es justamente promover la formación de la película de PbO2. • Mezcla de Óxidos Metálicos (Mixed Metal Oxide ó MMO) Los ánodos de mezcla de óxidos metálicos (MMO), también llamados de dimensiones estables, consisten en óxidos de metales de tierras raras, depositados sobre un sustrato de titanio. Estos ánodos se desarrollaron para la producción electrolítica de cloro e hipocloritos, pero ahora se usan en aplicaciones de protección catódica. La velocidad de consumo está en el orden de 1 mg/A-año. Este material anódico viene generalmente en forma de barras, cables, tubos o malla. • Platino El platino se usa como material anódico cuando se lo plaquea (clad) o bien deposita sobre un sustrato de titanio o niobio. El titanio y el niobio forman capas estables de óxido al funcionar como ánodos. Estas capas son estables hasta los 12 V en el caso del titanio y 90 V en el del niobio. La velocidad de consumo de los ánodos platinados está en el orden de los 6-10 mg/A-año. Los ánodos platinados vienen en forma de cable o malla. Están sujetos a un rápido deterioro si se excede el voltaje indicado o si las condiciones del medio a su alrededor se vuelven ácidas. Otros factores dañinos son: ripple AC de baja frecuencia, inversión de la corriente, biofouling, incrustaciones, y la presencia de ciertos materiales orgánicos. Los ánodos platinados son muy aptos para el uso en aplicaciones en agua dulce o salada más que en aplicaciones enterradas. • Metal de Rezago El acero o hierro de rezago pueden usarse como material anódico. Si los requerimientos de corriente son bajos, el hierro de rezago puede ser una opción económica. La velocidad de consumo del hierro es de 6.8-9.1 kg/Aaño (15 a 20 libras/A-año). Las desventajas de este material son su velocidad de disolución relativamente rápida y la dificultad para mantener la integridad de la conexión entre la fuente y el ánodo. • Titanio Metalizado El titanio metalizado se está probando para usarlo en estructuras de hormigón reforzado. Primero se rocía el titanio usando la técnica de spray Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:11 por arco a la superficie de hormigón y luego se aplica un catalizador líquido para activar el ánodo. • Metalizado con Aleaciones de Zinc y Aluminio El metalizado con aleaciones de zinc y aluminio se ha usado como ánodos de corriente impresa en estructuras de hormigón reforzado. El requerimiento relativamente bajo de corriente en este tipo de estructuras hace que el uso de estos ánodos sea práctico en estas aplicaciones. • Magnetita La magnetita es un material sinterizado hecho de Fe3O4. Se usa en agua de mar, aguas salobres, agua dulce y suelos de alta resistividad. La velocidad de consumo de la magnetita es de 0.005-0.08 kg/A-año. Los electrodos de magnetita se presentan en formas cilíndricas. • Aluminio El aluminio también se ha usado como ánodo de corriente impresa, principalmente en aplicaciones de agua dulce como tanques de almacenamiento de agua. La velocidad de disolución de un ánodo de aluminio de corriente impresa es de alrededor de 4.5 kg/A-año (10 libras/Aaño). Relleno Anódico El carbón se usa como material de relleno alrededor de los ánodos (grafito u otros) enterrados. El objetivo del material de relleno es: • Reducir la resistividad del medio alrededor del ánodo, aumentando así la cantidad de corriente que éste puede descargar • Aumentar la superficie del ánodo, para incrementar la cantidad de corriente que éste puede drenar • Reducir el consumo del ánodo, ya que el carbón pasa a formar parte del ánodo y es la parte que se consume antes. El relleno de coque para aplicaciones de protección catódica está disponible comercialmente como coque de petróleo calcinado o coque metalúrgico, cada uno de ellos producto de su respectiva industria. También hay disponible coque Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:12 sin calcinar, pero no es apto para la PC dado que puede tener una resistencia eléctrica demasiado elevada. La composición típica del carbón de relleno es: Carbón Ceniza Humedad Sulfuros Materia Volátil Densidad, kg/m3 (lb/ft3) Metalúrgico 85% 8-10% 6-9 1% 3% 730 (45) Calcinado 99% 0.1% 0 <.5% 875 a 1200 (5474) La resistencia del carbón depende de qué nivel de compactación se consiga. A mayor nivel de compactación, menor resistencia. El tamaño de las partículas de carbón es muy importante en la compactación. Lo más recomendable es una mezcla de partículas de menor y mayor tamaño para lograr una buena densidad de corriente y una baja resistencia. El rango de tamaños puede ir de 0.02 a 0.5 pulgadas. Con frecuencia se utiliza coque aún más fino en ánodos profundos y las partículas en este caso pueden de 0.004 a 0.04 pulgadas. Los ánodos de corriente impresa para aplicaciones enterradas pueden venir preempaquetados en carbón. El carbón y el ánodo se empaquetan en una cápsula de acero galvanizado (denominada en la práctica "canister") El carbón para ánodos profundos se agrega durante la instalación del ánodo bombeando una mezcla de agua y carbón previamente mezclada en superficie. Fuentes de Energía A diferencia de los sistemas de ánodos galvánicos, en donde la fuerza impulsora de la corriente es el potencial natural entre ánodo y cátodo, un sistema de PC de corriente impresa debe contar con una fuente externa que suministre la energía. Las fuentes de energía para protección catódica serán cubiertas en el Capitulo 4. Cableado y Conexiones En los sistemas de protección catódica por corriente impresa, todas las conexiones y cableado deben hacerse aislando completamente el metal del electrolito. A diferencia de los sistemas galvánicos, en los que los cables y Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:13 conexiones expuestos están protegidos por el propio ánodo, en un sistema de corriente impresa cualquier metal expuesto es parte del ánodo. Por lo tanto, el metal expuesto se corroerá rápidamente. Pueden usarse sólo cables con aislación dieléctrica aprobada para protección catódica. Los tipos de aislación que se usan en los cables de protección catódica incluyen: • Polietileno de Alto Peso Molecular (HMWPE) Esta aislación se usa comúnmente para los cables del ánodo y la estructura en instalaciones de protección catódica enterradas. La aislación para cables de protección catódica (tipo PC) es más gruesa que la aislación standard de polietileno (por ejemplo, THW). La aislación HMWPE no es recomendable en medios que contienen cloro, ácido clorhídrico o hidrocarburos. • Aislación Halar /HMWPE Halar/HMWPE es una aislación de dos capas. La cubierta externa (HMWPE) otorga protección mecánica al cable, como así también resistencia química y aislación dieléctrica. La cubierta interna es Halar, un copolímero fluorado, termoplástico, resistente a químicos, incluyendo cloro, ácido clorhídrico, acido sulfúrico, hidrocarburos, álcalis, y ácidos oxidantes fuertes. El rango de temperatura para esta aislación es de -80 °F (-62 °C) a 250 °F (121 °C). • Kynar/Poliolefina Modificada El Kynar (polyvinylidene fluoride)/poliolefina modificada es una aislación de dos cubiertas similar al Halar/Polietileno. La vaina exterior (HMWPE) provee protección mecánica al cable, así como resistencia a algunos productos químicos, y también aislación dieléctrica. Resistente al cloro, ácido clorhídrico, sulfatos, sulfuros de hidrógeno, álcalis, otros ácidos, químicos a base de petróleo y gas cloro. Es necesario encapsular totalmente los empalmes y conexiones para evitar que entre agua en el mismo, que eventualmente destruiría la conexión. El encapsulado se logra usando una resina epoxi que es vertida dentro de un molde que rodea al empalme, manguitos termocontraíbles que contienen un adhesivo fabricado especialmente para PC, o un sistema en base al encintado en varias capas. Antes de aplicar el material aislante, debe limpiarse muy bien el cable para eliminar grasas, aceite y tierra. La aislación debe ser lijada suavemente antes de aplicar el aislante. Aquí, un poco de cuidado extra evitará muchos problemas más adelante. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:14 Los empalmes deben evitarse siempre que sea posible, especialmente en el circuito anódico. Aspectos Ambientales Los ánodos en pozos profundos presentan problemas ambientales ya que el pozo puede atravesar diferentes napas geológicas y acuíferos. Las napas deben sellarse para evitar la transferencia de componentes indeseables, que faciliten la polución, entre napas. Esto se logra usando materiales sellantes de arcilla o rellenos conductores de cemento especiales. Las reacciones principales en la superficie del ánodo son: • Oxidación del metal • Evolución de oxígeno • Producción de cloro Los ánodos galvánicos y los ánodos de corriente impresa liberan pequeñas cantidades de productos de corrosión a medida que se deterioran. Los productos de corrosión de ánodos de carbón y relleno de coque son gases monóxido y dióxido de carbono. Los productos de corrosión de los ánodos de hierro silicio son iguales a los producidos por aleaciones de hierro. Éstos tienden a quedarse en la proximidad del ánodo. Los ánodos de dimensiones estables producen pocos o ningún producto de corrosión. Los ánodos en general producen gases, incluyendo cloro, oxígeno, dióxido y monóxido de carbono, dependiendo del ánodo y del medio. Estos gases pueden ser inflamables, venenosos o corrosivos y pueden bloquear el dispersor, reduciendo el rendimiento de los ánodos. Los gases deben ser venteados, especialmente en pozos profundos. Las reacciones en el ánodo producen un exceso de iones hidrógeno. M → M+ + e- Ecuac. 3-1 M+ + H2O → MOH + H+ Ecuac. 3-2 2H20 → O2 + 4H+ + 4e- Ecuac. 3-3 Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:15 Éstos acidificarán el medio inmediatamente adyacente al ánodo, pero generalmente no en forma significativa ya que el medio más alejado del ánodo neutraliza el ácido. Los ánodos de sacrificio instalados en cascos de barcos o en aplicaciones sumergidas en aguas naturales (por ejemplo, lagos, bahías, ríos y océano) se corroerán liberando productos de corrosión al agua. El que esto constituya o no una preocupación ambiental depende del volumen relativo del agua comparado con el volumen y naturaleza de los productos de corrosión. Los ánodos de aluminio que contienen mercurio pueden usarse en mar abierto y en barros salinos, pero no en agua dulce (en estas aplicaciones se suele utilizar aluminio que contiene indio). Los ánodos y otros materiales de protección catódica a instalar en aguas potables deben estar aprobados por NSF International. Las Normas ANSI/NSF 60 “Productos Químicos para el Tratamiento de Aguas Potables” y ANSI/NSF 61 “Componentes de Sistemas en Agua Potable – Efectos sobre la Salud” listan los materiales aprobados para usar en contacto con agua potable. Disposición de los Ánodos El objetivo de la protección catódica es suministrar la corriente adecuada a la estructura a proteger para que alcance un nivel adecuado de polarización catódica. Esto significa que los ánodos deben ubicarse lo más uniformemente posible con respecto a la estructura. Ya se han descripto los distintos tipos de ánodos que pueden utilizarse –galvánicos y de corriente impresa. Los ánodos pueden ser instalados en configuración remota o distribuida. La corriente proveniente del ánodo que atraviesa el electrolito produce caídas de voltaje de un punto a otro punto en el electrolito (gradientes). El valor del gradiente depende de la cantidad de corriente, de la resistividad del electrolito y de la distancia entre los puntos. Los gradientes anódicos son mayores a poca distancia del ánodo. El término terreno remoto se refiere al punto en el que, a mayor distancia del ánodo, no se producen más cambios en el gradiente de potencial. Una disposición o configuración distribuida utiliza ánodos ubicadas a intervalos relativamente cortos a lo largo de las estructuras. Los ánodos están cercanos entre sí y cercanos a la estructura, de manera de distribuir la corriente en forma uniforme sobre la superficie de la estructura y aumentar el potencial de la tierra adyacente a la estructura (Figura 3.4). “Cercano” significa que la estructura protegida cae dentro del gradiente de voltaje del ánodo. Esto Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:16 significa que los ánodos harán que el electrolito alrededor de la estructura se torne positivo con respecto al terreno remoto (Figura 3.5). La definición de “cercano” no es exacta, pero generalmente se encuentra a pocos pies de la estructura. Las situaciones en que se usan ánodos distribuidos incluyen estructuras sin revestir, estructuras que no están eléctricamente aisladas de otras y en áreas congestionadas, donde hay posibilidad de interferencia o de apantallamiento eléctrico. Terreno Remoto Rectificador Grandes gradientes de voltaje anódicos Ánodos + - z z Caño / Estructura Figura 3.4 Ilustración de un Sistema de Ánodos Distribuidos (los ánodos se colocan de manera tal que la estructura esté dentro del gradiente de potencial de los ánodos) Los sistemas de protección catódica para hormigón reforzado utilizan una configuración de ánodos distribuidos que consiste en un ánodo continuo sobre la superficie de hormigón o en acanaladuras próximas entre sí sobre la superficie de hormigón. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:17 Tubería R3 R2 R1 Ánodo R2 R3 _ + Fuente R1 < R2 < R3 I1 > I2 > I3 Figura 3.5 Distribución de Corriente desde un Ánodo Cercano Una configuración remota (Figura 3.6) usa ánodos colocados en una locación considerada eléctricamente remota de la estructura. El término eléctricamente remoto no coincide necesariamente con lo que se considera geométricamente remoto (Figura 3.7). Los ánodos remotos se usan en estructuras revestidas en las que el sistema de PC protege sólo los holidays del recubrimiento, y en estructuras eléctricamente aisladas de otras. En estos casos, el único metal que requiere protección catódica es el que se encuentra en los holidays del recubrimiento. Éstos pueden definirse como eléctricamente remotos del ánodo. Los ánodos pueden instalarse horizontal o verticalmente, dependiendo de las condiciones de la zona done será instalado el dispersor. • Los dispersores verticales son más fáciles de instalar, ya que requieren una perforación en lugar de una zanja. • Por lo general, los dispersores verticales requieren menos espacio y menos excavación. • Los ánodos verticales pueden tener menor resistencia que los ánodos horizontales instalados en las mismas condiciones. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:18 • Las condiciones del suelo, como capas de distintas resistividades o formaciones rocosas, pueden impedir el uso de ánodos verticales. • El tipo de dispersor que se use dependerá de la geometría del sitio. Figura 3.6 Ilustración de un Ánodo Remoto Tubería R4 R3 R2 R2 R1 Terremo Remoto R2 _ + Fuente Power Source Energía R3 R4 R1 R3 R4 R1 = R2 = R3 = R4 R2 I1 = I2 = I3 = I4 R3 R4 Anodo Figura 3.7 Distribución de Corriente para un Sistema Remoto Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:19 Galvánicos Los ánodos galvánicos pueden colocarse en forma distribuida o remota. Por lo general se entierran a poca profundidad al mismo nivel o por debajo del nivel de la napa de agua – o bien a la profundidad de la tubería o por debajo. El magnesio y el zinc están comercialmente disponibles en forma de cinta continua para permitir su uso como un único ánodo continuo distribuido. Los ánodos galvánicos para estructuras de hormigón reforzado expuestas a la atmósfera se colocan sobre toda la superficie para distribuir la corriente en forma pareja. Por lo general, en plataformas offshore los ánodos galvánicos se instalan en forma distribuida y se conectan directamente a la plataforma. Corriente Impresa Los ánodos de corriente impresa se instalan en forma distribuida o remota. Pueden instalarse en dispersores superficiales [hasta 25 pies (7.62 m) de profundidad]. También, los ánodos de corriente impresa se usan en configuraciones remotas instalándolos en un pozo profundo excavado desde la superficie. A éstos se los llama ánodos profundos. Los pozos de ánodos profundos tienen al menos 50 pies (15.24 m) de profundidad. Los ánodos semiprofundos están a 25-50 pies (7.62-15.24 m) de profundidad. Los ánodos profundos pueden estar a varios cientos de pies de profundidad para lograr la configuración remota. La Figura 3.8 muestra la configuración de un ánodo profundo. En el caso de una tubería enterrada o una estructura larga (por ejemplo, tablestacado), los ánodos pueden colocarse en forma paralela o perpendicular a la estructura. La colocación paralela distribuye la corriente en forma uniforme a lo largo de toda la longitud de la estructura. Esta configuración “acopla” el ánodo a la estructura y es útil cuando la estructura no está bien revestida o cuando hay otras estructuras cercanas que pueden sufrir interferencia. Una configuración paralela o distribuida puede ser necesaria en caso de que no haya suficiente servidumbre (right of way) para un ánodo remoto. La colocación de los ánodos en forma perpendicular puede usarse si la estructura está bien revestida, los requerimientos de corriente son relativamente bajos y el acceso lo permite. La colocación de ánodos en estructuras de hormigón reforzado expuestas a la atmósfera (por ejemplo, puentes y edificios) requiere el uso de ánodos Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:20 distribuidos. Por lo general esto significa cubrir toda la superficie de hormigón con un único ánodo (por ejemplo, recubrimiento metalizado, malla anódica o pintura conductora) o usar tiras de ánodos cercanas entre sí (por ejemplo, ánodos tipo cinta). Los ánodos de corriente impresa que se usan en cajas de agua de condensadores se distribuyen para suministrar corriente uniforme y también se colocan de manera tal que la corriente alcance las áreas difíciles, como las esquinas. Los ánodos de corriente impresa se instalan en forma distribuida en estructuras offshore para distribuir la corriente en forma uniforme. Tapa Pozo Caja Conexión Venteo Camisa Al Rectificador Piedra partida Anodos NOTA: El Sellado Columna Activa Relleno Carbón del pozo puede ser exigido por normas Figura 3.8 Sistema Remoto de Ánodo Profundo Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:21 Experimento 3-1 Demostrar el Uso de un Ánodo de Sacrificio para Mitigar la Corrosión en una Celda de Acción Localizada El funcionamiento de un sistema de protección catódica con ánodos de sacrificio puede demostrarse como se indica a continuación. En este experimento, el acero y el cobre representan una celda de corrosión de acción localizada. La corrosión en esta celda se mitiga con protección catódica. V Corriente Corrosión A V A C E R O V Electrodo Referencia C O B R E Recipiente con Agua Anodo de Magnesio Corriente de Protección Catódica Experimento para Demostrar la Mitigación de la Corrosión de Celdas de Acción Localizada Mediante Protección Catódica con Ánodos de Sacrificio Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:22 PROCEDIMIENTO Parte A 1. Coloque las planchas de acero y cobre en un costado de la cuba y agregue agua. 2. Mida el potencial natural del acero y del cobre. V Fe V El mismo Same meter Instrumento Cu Reference Electrode Electrodo de Referencia 3. Conecte el amperímetro entre el cobre y el acero y mida la corriente de corrosión (Icorr). Leave ammeter in place once installed Corriente Corrosión CorrosiondeCurrent A V Fe El mismo Same meter Instrumento Reference Electrodo deElectrode Referencia V Cu 4. Mida los potenciales polarizados del acero y del cobre. Parte B 1. Coloque el ánodo de magnesio en la cuba y conéctelo a la plancha de cobre a través de una resistencia de 10,000-ohm. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:23 2. Mida la corriente de corrosión (Icorr). 3. Determine la corriente de protección catódica (Ic,p) calculándola a partir de la caída de potencial en la resistencia. 4. Mida los potenciales polarizados del acero y del cobre. Leave ammeter in place once installed Corriente Current de Corrosión Corrosion A V Fe El mismo Same meter Instrumento Reference Electrodo deElectrode Referencia V ElSame mismometer Instrumento V Cu Mg Resistor Tablero deBoard Resistencias Parte C 1. Repita la Parte B usando resistencias de 1000 Ω, 100 Ω y 10 Ω. Parte D 1. Confeccione un diagrama de polarización (vea el ejemplo en la pagina siguiente) Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:24 RESULTADOS Condiciones del Circuito Eacero Ecobre Corriente de Corrosión Icorr (mA) Caída de Voltaje de PC (Vr) en la Resistencia (mV vs CSE) (mV vs. CSE) _______ ________ ___________ ____________ _______ ________ ___________ ____________ _______ ________ ___________ ____________ _______ ________ ___________ ____________ Corriente de P.Catódica Calculada Ic,p (mA) Natural (OC) _______ ________ Polarizado 10,000 ohms 1,000 ohms 100 ohms 10 ohms _______ ________ Ejemplo de Diagrama de Polarizacion Ec,oc Ec,p + E Cathode Polarized Cátodo Polarizado from Electronegatively Electronegativamente Ec,p to Ea,oc = Ec,cp desde Ecorr a Ea,p Ea,oc Ec,cp Icorr Icp Log I Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 ____________ Sistemas de Protección Catódica 3:25 CONCLUSIONES La corriente de corrosión disminuye a medida que aumenta la corriente de protección catódica. La corriente de corrosión disminuye a medida que el potencial polarizado del cátodo se hace más electronegativo. . Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:26 Experimento 3-2 (Opcional al Experimento 3.1.) Demostrar el Uso de un Sistema de Corriente Impresa para Mitigar la Corrosión de una Celda de Acción Localizada El funcionamiento de un sistema de protección catódica por corriente impresa puede demostrarse como se ilustra en la figura a continuación. Ic + Ic,p A + + V V A C E R O Electrodo Referencia C O B R E + V Tray with Tap Recipiente conWater Agua ACERO Experimento para Demostrar la Mitigación de la Corrosión de Celdas de Acción Localizada Mediante Protección Catódica por Corriente Impresa Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:27 PROCEDIMIENTO Parte A 1. Coloque las planchas de acero y cobre al costado de la cuba y agregue agua. 2. Mida el potencial a circuito abierto del acero y del cobre. 3. Conecte el amperímetro entre el cobre y el acero y mida la corriente de corrosión. 4. Mida el potencial polarizado del acero y del cobre. Parte B 1. Coloque la segunda plancha de acero en el lado opuesto de la cuba y conéctela al lado positivo de la batería a través de una resistencia de 10,000-ohm. Conecte el polo negativo de la batería a la placa de cobre. 2. Mida la corriente de corrosión (Icorr). 3. Determine la corriente de protección catódica (Ic,p) midiendo directamente con un amperímetro. 4. Mida los potenciales polarizados del acero y del cobre. Parte C 1. Repita la Parte B usando resistencias de 1000-ohm, 100-ohm, y 10ohm. Parte D 1. Confeccione un diagrama de polarización (véase ejemplo en la pagina siguiente) Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:28 RESULTADOS Condiciones del Circuito Eacero (mV) Ecobre (mV) Corriente de Corrosión Icorr (mA) Caida de Corriente Tension en de PC la Calculada Resistencia (mV) Ic,p (mA) Estático (OC) _________ _________ Polarizado _________ _________ 10,000 ohms _________ _________ __________ _________ _________ 1,000 ohms _________ _________ __________ _________ _________ 100 ohms _________ _________ __________ _________ _________ 10 ohms _________ _________ __________ _________ _________ E c,oc Cátodo Polarizado Electronegativamente desde Ec,p a Ea,oc = Ec,p E c,p + E E corr E a,p Ec,p E a,oc I c,p I corr log i Ejemplo de Polarización Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Sistemas de Protección Catódica 3:29 CONCLUSIONES 1. La corriente de corrosión disminuye a medida que aumenta la corriente de protección catódica. 2. La corriente de corrosión disminuye a medida que el potencial polarizado del cátodo se hace más electronegativo. 3. Se puede lograr más corriente de protección catódica y, por lo tanto, más polarización con sistemas de corriente impresa que con un sistema de ánodos de sacrificio. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2008 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:1 Dependiendo de aspectos económicos, cualquier fuente de corriente continua DC puede servir para ser utilizada en un sistema de corriente impresa: • • • • • • • • Transformador-rectificador (rectificador) Generadores Termoeléctricos (TEG por sus siglas en inglés) Energía Solar Generadores Eólicos Motogeneradores Baterías Celdas de Combustible (Fuel Cells) Turbogeneradores de Vapor de Ciclo Cerrado Transformador-Rectificador La fuente de energía más común para ser usada en la protección catódica por corriente impresa es un transformador/rectificador, normalmente referido simplemente como un rectificador. Un rectificador convierte la tensión de corriente alterna AC al voltaje requerido y luego lo convierte a corriente continua. Los rectificadores están disponibles tanto con refrigeración por libre convección de aire, o bien por inmersión en baño de aceite. Los rectificadores son normalmente alimentados por un sistema de energía de corriente alterna. La entrada al rectificador consiste en un voltaje de alterna disponible de la red eléctrica o bien de un motogenerador. Un transformador con ajustes en el lado del bobinado secundario provee un método para reducir y ajustar el nivel de tensión de salida, aislando al mismo tiempo el circuito de corriente continua del sistema de entrada. Un circuito rectificador convierte el voltaje de alterna para producir un voltaje de continua en la salida del rectificador. Los elementos principales de un rectificador son los siguientes: • • • • • • • Suministro de energía en alterna (AC) Interruptor del Circuito Transformador Elementos para Rectificar Instrumentos (Medidores) Terminales de Salida de Corriente Continua (DC) Fusibles* • Protección contra Transitorios * * depende del tipo de unidad Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:2 Interruptores del Circuito (Circuit Breakers) La función principal de un interruptor del circuito es la de proveer protección a los componentes del rectificador de sobrecargas o transitorios de corriente. Una función adicional es la de desconectar la tensión de alterna AC cuando se trabaja en el panel frontal. PRECAUCION: Los contactos de un interruptor pueden fundirse y no abrirse cuando la palanca del interruptor ha saltado. Confirme que no hay tensión midiendo antes de seguir trabajando. Los interruptores son instalados normalmente en el circuito de alimentación de AC, con la palanca expuesta en el panel frontal del rectificador. Cuando se trata de una línea de 115 VAC un único interruptor es instalado sobre el “vivo”pero cuando la tensión es de 230 VAC o mayor, se utiliza un interruptor doble con las palancas unidas y una interrupción en cada línea. Las unidades trifásicas poseen un interruptor en cada una de las tres líneas con palancas unidas. Se describen a continuación tres tipos de interruptores. Interruptores Térmicos Estos interruptores tienen un elemento bimetálico que conduce la corriente. Una cantidad excesiva de corriente provocará el calentamiento de este elemento, y los dos metales componentes se expanden en forma diferencial, dado que han sido seleccionados por sus diferentes coeficientes de temperatura (Figura 4.1). Así, el elemento es desplazado hacia un lado interrumpiéndose la conexión. El elemento debe enfriarse antes de que pueda ser reenganchado. El interruptor térmico depende de la temperatura ambiente, permitiendo que circule más corriente en un medio ambiente más frío o menor cantidad de corriente en un medio de mayor temperatura, antes de que abra el circuito. Sobrecarga Overload Carga Load Contacts Contacto Brazo de Contacto Contact Arm Resorte Spring Conector Braided Flexible Jumper Elemento Bimetal Bimetálico Element Line Figura 4.1 Mecanismo de un Interruptor Térmico Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Línea Line Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:3 Interruptor Magnético El interruptor magnético consiste en un núcleo de hierro rodeado de una bobina de alambre cumpliendo la función de un electroimán. Cuando la corriente aumenta el campo magnético creado provoca que el núcleo atraiga uno de los brazos de palanca haciendo que el circuito se abra (Figura 4.2). En el caso de transitorios de corriente muy alta, el interruptor actuará inmediatamente, y esto hace que se lo considere el más adecuado para rectificadores de protección catódica. Línea Línea Contactos Brazo de Contacto Resorte Palanca Sobrecarga Carga Cara con Polaridad Conector Flexible Bobina Núcleo Móvil Figura 4.2 Mecanismo de un Interruptor Magnético Interruptor Termomagnético El interruptor termomagnético es similar a un interruptor térmico, con la excepción de que tiene una placa magnética adosada al elemento bimetálico, de forma de aumentar la velocidad en interrumpir el circuito (Figura 4.3). Una sobrecarga de corriente genera un campo magnético alrededor de la placa, la que a su vez es atraída hacia otra placa, interrumpiendo el circuito antes de que sea el propio elemento bimetálico que actúa por sobrecalentamiento. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:4 Sobrecarga Carga Contactos Brazo de Contacto Resorte Elementos Magnéticos Conector Flexible Línea Línea Figua 4.3 Mecanismo de un Interruptor Termomagnético Aunque más rápido que el interruptor térmico, tiene un tiempo de reacción inferior al de un interruptor magnético y puede ser utilizado cuando se usa un interruptor para hacer saltar el interruptor. Transformador La función de un transformador es “elevar” o bien “bajar” el voltaje de AC suministrado. También podría ser utilizado como un elemento de aislación o de separación con el mismo voltaje. Dependiendo del diseño del transformador, este puede suministrar un voltaje de AC ajustable dentro de un cierto rango. El transformador consiste en un núcleo de hierro con dos conjuntos de arrollamientos alrededor de él. Una de las bobinas o arrollamientos es conectada a la tensión de alterna de alimentación y se denomina bobinado primario o simplemente primario, y el campo magnético alterno creado induce un voltaje en la segunda bobina o arrollamiento, denominado bobinado secundario o simplemente secundario (Figura 4.4). Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica Bobina del primario 4:5 Eprimario Campo Magnético Núcleo de Hierro Bobina del secundario Esecundario Figura 4.4 Esquema de un Transformador La relación entre el voltaje del primario y el voltaje en el secundario, está en relación del número de vueltas del bobinado primario al número de vueltas del secundario (Ecuación 4.1). E primario Esec undario = N ° Vueltas Pr imario N ° Vueltas Secundario Ec. 4-1 Ejemplo: Si un transformador no tiene pérdidas, cuál será el voltaje en el secundario si se suministra 115 VAC al bobinado del primario con 400 vueltas, si el número de vueltas del secundario es de 100? De la ecuación 4-1: Esec undario = E primario × N °Vueltas Secundario N ° Vueltas Pr imario Esecundario = 115 VAC x 100 / 400 = 28.75 VAC El bobinado del secundario puede ser conectado a intervalos, lo que hace cambiar el número de vueltas y cambia así, en forma proporcional la tensión de AC en el secundario. Moviendo estas conexiones (denominadas taps), el Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:6 número de vueltas se modifica, variando la tensión. Este tipo de conexión es la más común en los rectificadores de voltaje constante. Circuitos de Rectificación Circuitos tipo Puente Los rectificadores pueden tener alimentación monofásica o trifásica. Aunque los rectificadores con alimentación monofásica pueden contar con un puente de rectificación de media onda (1 único diodo), con conexión al centro (2 diodos) y rectificación de onda completa (4 diodos), el puente de rectificación de onda completa es el más utilizado y se presenta en la Fig. 4.5 (A, B, C,D). EAC IAC B A C D IDC EDC Figura 4.5: Rectificador Monofásico con Puente de Rectificación de Onda Completa Los rectificadores con alimentación trifásica están disponibles para conexión en Y (wye) con tres diodos (Ver Fig. ) o bien puentes de rectificación en onda completa (6 diodos) , siendo este último el más comúnmente utilizado y se muestra en la Figura 4.6. Las unidades trifásicas son más eficientes que las monofásicas, pero los costos de la inversión inicial son mayores. La eficiencia teórica máxima de un rectificador trifásico, con puente de onda completa es de 96.5% comparada con una eficiencia de 81% de un rectificador de onda completa, monofásico. La eficiencia real de operación depende de la salida que se utiliza en la unidad. El tipo de energía disponible y la comparación económica de los costos totales son las consideraciones principales al momento de seleccionar un rectificador monofásico o trifásico.1 1 R. L. Bianchetti, ed., Control of Pipeline Corrosion, Second ed. (Houston, TX: NACE, 2001), p. 90, 166-173, 308-310, and 315-317. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:7 Alimentación Trifásica AC Lámina a Tierra entre los bobinados primario y secundario Transformador con Taps de Ajuste de la Tensión sobre el BobinadoSecundario Rectificador Con Conexión Tipo Puente La flecha indica la dirección del flujo unidireccional de Corriente a través del elemento Conexión a Tierra del Gabinete A Tubería o Estructura Protegida Al Dispersor Figura 4.6: Rectificador Trifásico con Puente de Rectificacion Los rectificadores actuales utilizan placas de selenio o diodos de silicio para proveer la acción de rectificación. Los diodos son elementos que permiten el paso de la corriente en una dirección pero bloquean a la corriente en la dirección opuesta. Una unión tipo PN consigue esto, con una interfase semiconductora en donde de un lado de la unión hay un agregado de elementos portadores de cargas positivas y del otro lado de la unión un agregado de elementos portadores de cargas negativas. Si se aplica un potencial de valor positivo al semiconductor “dopado” con cargas positivas, la conducción puede tener lugar en esa dirección (de positivo a negativo) pero si el potencial positivo es aplicado al semiconductor N (dopado con portadores negativos) la corriente es bloqueada. De esta forma el diodo puede conducir en un medio ciclo de la onda de AC y no conduce en el siguiente hemiciclo. Conectando apropiadamente cuatro diodos para el caso de un rectificador monofásico, un ciclo completo de corriente AC puede pasar a través del puente, pero la parte positiva del ciclo en la dirección del terminal positivo de salida, y la porción negativa del ciclo en la dirección del terminal negativo de salida. El resultado Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:8 entonces es una rectificación completa del ciclo de AC. Sin embargo, esta no es una verdadera corriente continua (DC) en el sentido que la señal de salida (tensión de salida en realidad) no es constante sino más bien una señal siempre en una dirección pero variable.2 Podemos ilustrar el proceso de rectificación considerando el puente rectificador de la Figura 4.7. Los dos terminales de entrada de la tensión de AC al puente rectificador son I1 e I2. Los dos terminales de salida en corriente continua son O1 y O2. Durante la porción de tiempo donde el ciclo de AC es tal que I1 se hace positivo con respecto a I2, los diodos 1 y 4 conducen. En este intervalo de tiempo, el potencial positivo pasa al terminal O1, y el potencial negativo pasa al terminal O2. Durante la porción de tiempo donde el ciclo de AC es tal que I1 se hace negativo con relación a I2, los diodos que conducen son los diodos 2 y 3. Durante este intervalo de tiempo entonces, el potencial negativo en I1 pasa al terminal de salida O2, y el potencial positivo en I2 pasa al terminal O1. Así, entonces, los potenciales positivos son siempre transferidos al terminal O1, y los potenciales negativos transferidos al terminal O2. De esta forma el terminal de salida O1 es siempre positivo con relación al terminal O2. La parte superior de la Figura 4.8 muestra la señal de entrada entre los terminales I1 e I2, y en la parte inferior de la misma figura, la señal de salida entre los terminales O1 y O2. 2 R. L. Bianchetti, ed., Control of Pipeline Corrosion, Second ed. (Houston, TX: NACE, 2001), p. 90, 166-173, 308-310, and 315-317. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:9 I1 1 2 O2 O1 4 3 I2 Figura 4.7: Puente de Rectificación Monofásico de Onda Completa V or I t AC Input V or I t DC Output Figura 4.8: Señales de Entrada y Salida en un Puente de Rectificacion de Onda Completa Los elementos rectificadores están hechos de placas revestidas con selenio o bien con diodos de silicio. En una placa de selenio, las placas de acero, níquel o aluminio se revisten con cristales de selenio. Las placas se disponen en “conjuntos” (stacks) y su número y tamaño se determina según la capacidad de corriente y voltaje del rectificador. Algunos puntos importantes acerca de las placas de selenio son: Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:10 • Los diodos de selenio se “auto-reparan” (self healing); es decir, las áreas dañadas se hacen no conductoras y el conjunto sigue funcionando. Sin embargo, la eficiencia del conjunto disminuye. • Las placas de selenio pueden tolerar sobrecargas de hasta diez veces la capacidad que se especifica para las mismas, por unos pocos minutos. • Envejecen por el calentamiento, lo que resulta en una reducción en la tensión de salida. • Si el voltaje AC excede el que pueden soportar las placas, se produce sobrecalentamiento. • Puede producirse la ruptura del recubrimiento de selenio y también sobrecalentamiento, debido a picos transitorios de tensión (transient voltages).(por ejemplo de rayos). • Puede romperse la aislación del tubo aislante alrededor del perno de montaje debido a la presencia de picos transitorios de tensión (transient voltages). • La corrosión por sales, ácidos, sulfuro de hidrógeno u otros elementos pueden dañar las placas de selenio. • Puede dañarse el recubrimiento debido a un ajuste excesivo o bien por un sobrecalentamiento debido a una falta de ajuste de las arandelas de contacto durante el armado. • Los diodos de silicio consisten en un disco (wafer) rebanado de un cristal de silicio puro. El disco está herméticamente sellado dentro de una cápsula metálica, con un extremo con rosca y otro para conexión de un cable. • Los diodos de silico son más eficientes que las placas de selenio y no envejecen. • El diodo de silicio debe estar conectado a un disipador de calor dado que se calienta muy rápidamente. • Los diodos de silicio son más sensibles a los picos de corriente y pueden destruirse rápidamente por una sobrecarga de corriente. Deben tener una tensión de pico inverso muy alto (1.000 V). • Cuando fallan, los diodos de silicio lo hacen en forma total, a diferencia de las placas de selenio. Aunque los rectificadores standard son la fuente de energía más común en circuitos de corriente impresa debido a razones económicas, hay algunas variantes de rectificadores standard que se disponen en el mercado tales como los rectificadores controlados por silicio, los de modo switching, y los rectificadores de pulsos. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:11 Circuitos de Conexión Central (Center Tap) Es posible alcanzar una rectificación de onda completa con dos diodos conectados en una configuración central (center tap), tal como se muestra en la Figura 4.9 para un rectificador con alimentación monofásica o bien para uno trifásico en conexión Y (wye) tal como se muestra en la Figura 4.10. En un circuito monofásico, únicamente un diodo conduce durante cada ciclo de corriente alterna, lo que produce un gran rizado (ripple). Este tipo de rectificador requiere un transformador de gran tamaño, y el ajuste por taps es más dificultoso, dado que cada una de las ramas necesita ser balanceada. Este método es usado cuando la salida está controlada en forma electrónica. Para el caso de alimentación trifásica en Y, se requiere el mayor núcleo de hierro para el transformador de manera de prevenir la saturación del mismo por efecto del ripple. IAC A EAC AC Input IDC B + EDC One Cycle B Conducts A Conducts Figura 4.9 Esquema de un Rectificador Monofásico con Conexión Central Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica A B IAC C 4:12 A A IDC C C One Cycle IA IB EDC IC B ID B Figura 4.10 Esquema de un Rectificador Trifásico con Conexión Y (wye) Rectificadores Controlados por Diodos de Silicio (SCR) Los así denominados SCR son incorporados para proveer control adicional del proceso de rectificación, en algunos tipos de rectificadores para protección catódica. Los SCR son elementos constituidos por tres uniones del tipo PN, tal como se muestra en la parte superior de la Figura 4.11. Un SCR, de la misma forma que un diodo, es un elemento de rectificación, que va a permitir la conducción de corriente en una única dirección. Sin embargo, a diferencia de un diodo, la aplicación de un tensión de alterna de polaridad apropiada, no permite la conducción de corriente, esto es que el SCR se dispare. Para que esto ocurra y comience la conducción, un potencial positivo (VAC) deberá ser aplicado entre el anodo (lado P) y el cátodo (lado N) y además un pulso positivo debe ser aplicado entre la puerta de entrada (gate) y el cátodo (VGC), tal como se indica en el diagrama central de la Figura 4.11. En el momento en Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:13 que el pulso en la puerta de entrada (gate) es aplicado, el SCR se dispara y comienza a conducir corriente desde el ánodo al cátodo. Independientemente de la corriente en la puerta de entrada (gate) el SCR continúa conduciendo corriente hasta que el voltaje aplicado de alterna (VAC) pasa por cero y la corriente entonces también es nula. A P N P C N G SCR VAC A P N P C N I G VGC SCR Conectado en Forma Directa - Conduce VAC A P N P N G VGC C SCR Conectado en Forma Inversa – No Conduce Figura 4.11: SCR Si aplicamos un voltaje de AC al SCR, es posible controlar la tensión de salida, simplemente controlando el tiempo para el pulso en la puerta de entrada (gate), que es el que efectivamente dispara al SCR. Por ejemplo, si el pulso en la puerta de entrada se produce al mismo tiempo que la tensión aplicada pasa por 0 y comienza a moverse en la dirección positiva, el SCR va a conducir a través de todo un ciclo completo (180º) de la onda de entrada. Si el pulso en la puerta de entrada (gate) se demora por un cuarto de ciclo con relación al tiempo en que la tensión de alterna pasa por cero, y se mueve en la dirección positiva, la mitad de un medio ciclo (90º) de la forma de onda permitirá que pase la corriente. Si el pulso en la puerta de entrada nunca es aplicado, no habrá circulación de corriente en ningún momento (0º). Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:14 I1 G 1 2 O2 O1 4 G 3 I2 Figura 4.12: Puente de Rectificación controlado por SCR en un Rectificador Monofásico Si armamos un puente de rectificación de onda completa reemplazando los diodos 1 y 3 con SCR, tal como se muestra en la Figura 4.12, esto permite controlar la onda completa rectificada simplemente controlando la duración del pulso en la puerta de entrada (gate) para los dos SCR. Si los pulsos en la entrada (gate) son aplicados cuando la onda de entrada pasa por 0 (angulo de conducción 180º) la forma de onda de salida es siplemente una versión rectificada de la onda de entrada, tal como se muestra en la Fig. 4.13. Si de alguna manera demoramos la aplicación del pulso en la puerta de entrada (gate) por ejemplo en un tercio del hemiciclo (angulo de conducción 120º) , lo que hacemos es bloquear un tercio de cada hemiciclo en los terminales de salida. El resultado es una reducción en la tensión promedio de salida en corriente continua. De esta forma, controlando la duración de los pulsos en la puerta de entrada (gate), podemos variar el nivel de la tensión de continua en la salida. Sin embargo, la onda de salida no es una tensión continua real, pero una onda de corriente continua con un rizado (ripple). Cuanto más el circuito demora el pulso en la puerta de entrada, tanto mayor será el rizado (ripple). Para aumentar la eficiencia y reducir este rizado, los fabricantes normalmente agregan filtros dispuestos en los terminales de salida. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:15 VIN t Input Voltage VO t Conduction Angle = 180 o VO t Conduction Angle = 120 o VO t Conduction Angle = 90 o Figura 4.13: Formas de Onda de Salida en Puente Rectificador de Onda Completa con SCR. La explicación que hemos presentado de un rectificador de onda completa controlado por SCR, asume una carga puramente resistiva en los terminales de salida. Sin embargo, si el rectificador tiene incorporado un filtro de salida (aquí hay almacenamiento de energía) , los SCR puede que no dejen de conducir cuando la onda pase por cero (cruce el eje de las abscisas) debido a la energia liberada por el filtro. Esta situación, conocida como un cierre (latching) del SCR. es solucionada si se agrega lo que se conoce como un diodo “freewheeling” a través de los terminales de salida (ver Figura 4.18). En este caso los SCR pueden cerrarse normalmente al final de cada hemi-ciclo. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:16 Rectificadores Modo Switching (Switching-Mode Rectifiers) Un tipo diferente de rectificadores aparecen a finales de los años ’70, cuando la tecnología “switching” (switching mode technology) comenzó a estar disponible para aplicaciones comerciales. En lugar de ajustar el nivel del voltaje de salida en AC utilizando un transformador grande, con un núcleo de acero laminado, los rectificadores switching (switching mode rectifiers) controlan el nivel de tensión de continua de salida DC, produciendo una serie de pulsos de alta frecuencia (la frecuencia está en el orden de 50 a 500 kHz), y ajustando la duración de estos pulsos obtener el nivel de tensión de DC que se requiera.. Aunque los rectificadores switching utilizan transformadores para el almacenamiento de energía y para aislar el circuito de salida, el transformador es de mucho menor tamaño, con un núcleo de ferrita y operando en alta frecuencia. El diagrama bloque para un rectificador switching se muestra en la parte inferior de la Figura 4.14. Este diagrama puede ser comparado con el diagrama bloque de un rectificador standard que se muestra en la parte superior de la misma Figura 4.14. Rectificador Standard Entrada AC Transformador Baja Frecuencia Con Taps Rectificador Filtro (de existir) Salida de DC Rectificador Modo Switching Entrada AC Rectificador Principal Filtro Principal Llave de Estado Sólido Transformador Rectificador Secundario Circuito Sensor/Llave Filtro Secundario Salida de DC Sensor de Voltaje Figura 4.14: Diagramas de Bloque para Rectificadores Switching y Standard Fuente:: Emerson Network Power, Switching Power Supplies, http://www.emersonnetworkpower-medical.com (January 7, 2004). Como se puede ver en la Figura 4.14, el rectificador switching primero transforma la señal de tensión de AC en DC, y al mismo tiempo la filtra. El switch (llave) de estado sólido convierte entonces la señal de DC en pulsos de DC de alta frecuencia. Los pulsos de DC son alimentados a través de un transformador de alta frecuencia para aislar el circuito de salida. Debido a que la señal de alta frecuencia incluye un “ruido” significativo (picos positivos y Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:17 negativos), se hace necesario instalar una segunda rectificación de la señal juntamente con un filtrado de la misma. Finalmente el control de la señal de salida se consigue actuando sobre el switch de estado sólido, en forma de modificar la duración del pulso (ancho del pulso). De esta manera, utilizando este control sobre el ancho del pulso, es posible modificar la magnitud de la tensión de salida en DC.3 Las principales ventajas de un rectificador switching sobre un rectificador standard son las siguientes: • • • • • • Peso y tamaño pequeño Regulacion de la tensión de salida Alta eficiencia a tensiones de salida bajas Posibilidad de limitar la corriente de salida Diseño modular que facilita la reparación Es posible utilizarlos con varias modalidades (voltaje constante, potencial constante, corriente constante, potencial constante libre de caída IR) Las desventajas son: • • • • Pueden ser fuente de ruidos de alta frecuencia (EMI/RFI) Menor confiabilidad debido al número de componentes Proclives a un rizado (ripple ) más alto (requieren mayor filtrado) La reparación de los módulos individuales no es práctica Rectificadores de Pulsos Estos rectificadores suministran corriente en forma cíclica. La corriente se imprime a pulsos entre 1000 a 5000 por segundo, a una tensión relativamente alta pero normalmente solo operativa durante el 15% del ciclo de trabajo. El ajuste de la salida se realiza variando la frecuencia y ajustando capacitores que son los que definen el ciclo operativo. Como resultado de esto tienen un elevado nivel de ruido a una distancia relativamente corta de la instalación. La aplicación principal de estos rectificadores es en el área de camisas de pozos de petróleo y gas (well casing). El uso de estos equipos intenta hacer óptima la distribución de corriente y minimizar los problemas de interferencia. 3 Lambda Power, Switch-mode Power Supplies, http://www.lambdapower.com/ftp/linera_versus_switching.pdf (January 7, 2004) Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:18 Modos de Operación Los modos más comunes de operación de los rectificadores son: • Tensión Constante • Corriente Constante • Potencial Constante Tensión Constante En estos rectificadores, la tensión de salida se ajusta cambiando las conexiones en el secundario del transformador (taps). La salida del rectificador depende de la resistencia del circuito externo (ánodo-suelo-estructura). Esta forma de control es útil cuando no hay cambios importantes en la resistencia externa. La Figura 4.15 presenta un esquema de un rectificador con control de tensión de salida. Entrada AC Transformador Interruptor AC Conexiones de Ajuste (taps) sobre el Bobinado Secundario Gabinete - Puente rectificador + Shunt Voltímetro de Salida A V Amperímetro de Salida Puesta a tierra + A Estructura A Ánodos Figura 4.15 Esquema de un Rectificador con Tension Constante Monofasico Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:19 Corriente Constante En este tipo de rectificador, la salida de corriente se mantiene constante a un valor prefijado. Si cambia la resistencia externa, aumenta o disminuye el voltaje del rectificador para mantener el valor prefijado. En este tipo de rectificador no se utiliza un electrodo de referencia permanente externo. La Figura 4.16 muestra un esquema típico de un rectificador de corriente constante que usa un reactor saturado. El control también puede conseguirse utilizando diodos de silicio controlados (SCR). Rectifier Stack Transformer AC Input + DC Output - Gate Windings Saturable Reactor Control Winding Variable DC Source Figura 4.16 Esquema de un Rectificador de Corriente Constante Potencial Constante La corriente de salida de los rectificadores de potencial constante está controlada por un potencial estructura-suelo (o estructura-agua) prefijado. El rectificador monitorea constantemente el potencial estructura-electrolito y lo compara con el prefijado. Si el potencial estructura-electrolito cambia con respecto al valor prefijado, el rectificador aumenta o disminuye la corriente para volver el potencial a su valor original. Este tipo de rectificador es útil cuando las condiciones externas varían, en especial la resistividad del electrolito, que puede generar cambios sustanciales en los requerimientos de la corriente de protección. Para que este sistema funcione, tiene que haber un electrodo de referencia enterrado o inmerso en el medio para monitorear el potencial estructura-electrolito. Los rectificadores de potencial controlado pueden controlarse con transformador de núcleo saturado (saturable core reactors) o mediante el uso de los así denominados rectificadores controlados por silicio (silicon controlled rectifiers o SCR). La Figura 4.17 muestra el esquema de un típico rectificador de potencial controlado que utiliza un reactor Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:20 de núcleo saturado y la Figura 4.18 muestra un rectificador de potencial controlado con SCR. Estos rectificadores deben fabricarse con un circuito de limitación de corriente, en caso de que se pierda la señal proveniente del electrodo de referencia permanente. Circuit Breakers Fuse Shunt Stack Transformer V A Fuse Switch 20-25 VAC From Xfmr Secondary AC DC Output Tap Change Circle Lightning Arrestors AC Input Lightning Arrestors Reactor Shunt + - Control Stack 15 VAC From Xfmr Secondary 1TB1 6TB2 Electronic 2TB1 5TB2 Controller To Ref. Cell To Structure Single Phase Reactor Controlled Auto-Volt Figura 4.17 Esquema de un Rectificador de Potencial Constante Automatic Stack Assembly Surge Suppressor Fine Taps Power Transformer Diode / SCR Bridge Surge Inductor Lightning Arrestors AC Input Lightning Arrestor DC Pos Freewheeling Diode Surge Suppressor Shunt DC Neg Coarse Taps + - Control Xfmr Electronic Controller Circuit Card Structure Input Ref. Cell Input Figura 4.18 Esquema de un Rectificador de Potencial Constante usando SCR Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:21 Otros Componentes del Rectificador Filtros Se usan filtros de eficiencia para disminuir el ripple AC de la salida DC, lo que disminuye el costo de funcionamiento del rectificador. Los filtros se usan por lo general en rectificadores monofásicos de onda completa y rectificadores con conexión central. Consisten en inductancias (chokes), condensadores, o una combinación de ambos. Protección contra Sobrecargas (Surge Protection) Se usa para proteger al rectificador de los rayos. Interruptores Pueden suministrarse con el rectificador para permitir el ciclado de la unidad y obtener mediciones del tipo ON-OFF. Sistemas de Alarma y Señales Luminosas Se utilizan para alertar al personal cuando hay algún problema de funcionamiento con la unidad. No suministran información acerca de irregularidades con el sistema de protección catódica, más allá de lo que ocurre dentro del propio rectificador. Monitoreo Remoto Se pueden instalar mecanismos para monitorear corriente, voltaje y potencial de la estructura desde una locación remota. Algunos de estos mecanismos pueden usarse para controlar la corriente de salida. Regulación de AC y DC Por lo general los rectificadores se ajustan cambiando los elementos de regulación sobre el secundario (taps). Estos ajustes cambian el voltaje AC suministrado al puente rectificador. Los elementos de ajuste se encuentran en el panel frontal de la unidad y consisten en planchuelas de vinculación para ajuste fino y grueso. Antes de modificar la posición de estas planchuelas DEBE apagarse el rectificador con el interruptor. Los cambios deben hacerse de a uno por vez. El procedimiento para cambiar los taps, es aumentar la regulación fina una etapa, verificando que las conexiones son bien firmes. Encender la unidad y medir la tensión y la salida de corriente DC. De no ser suficiente, aumentar una etapa más la regulación fina, y repetir el procedimiento. Cuando se ha alcanzado el máximo de la regulación fina, regresar la regulación a la primera Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:22 etapa y aumentar en un paso la regulación Gruesa. Continuar de esta forma hasta que se alcance el valor deseado de salida. Para reducir los valores de salida, se debe seguir el procedimiento inverso, con la excepción de que la reducción se deba hacer porque ha saltado el interruptor. Los rectificadores de potencial controlado y corriente constante se controlan usando un potenciómetro que se encuentra en el panel de control de circuito. En los rectificadores de potencial constante, éste controla el potencial estructura-referencia, que controla la salida de voltaje y corriente. En los rectificadores de potencial controlado y de corriente constante frecuentemente hay planchuelas para la regulación de la tensión AC, que constituyen otro control sobre el voltaje DC. Otras Fuentes de Energía Cuando no se dispone de energía AC, existen formas alternativas para el suministro de energía. Motogeneradores Consisten en un motor a combustible que impulsa el generador para suministrar corriente alterna al rectificador (ver Figura 4.19). La propia tubería o una fuente próxima puede ser la encargada de suministrar el combustible. Normalmente los generadores requieren un mantenimiento considerable. Suministro de AC al Rectificador Chimenea de Descarga Control del Alternador Tanque para Aceite Lubricante Rectificador Generador de AC Regulador Motor Alimentado a Gas Brida Aislante Dispersor Estructura Figure 4.19 Instalación de PC con Motogenerador Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:23 Generadores Termoeléctricos (TEG) Otra fuente alternativa de energía son los generadores termoeléctricos (TEG por sus siglas en inglés, Thermoelectric Generators). (ver Figura 4.20). Los termogeneradores convierten la energía térmica o calórica en forma directa a energía eléctrica. Se requiere un combustible limpio tal como el gas natural o gas propano como combustible. Esta fuente de energía utiliza el efecto Seebeck para generar pequeñas diferencias de potencial en una unión de metales disímiles. Thomas Seebeck descubrió que una unión de dos metales diferentes que es calentada de un lado de la unión y enfriada del otro, es capaz de generar una diferencia de potencial en la unión, y puede haber circulación de cargas. Los generadores termoeléctricos constan básicamente de tres componentes principales: una fuente de calor, una termopila y un disipador de calor o enfriador.4 Figura 4.20 Generador Termoeléctrico para protección catódica Los termogeneradores más modernos emplean uniones de semiconductores PN más que uniones de metales disímiles. Un quemador aplica calor de un lado de la unión PN en tanto que un sistema de transferencia de calor enfría el otro lado de la unión. La cupla termoeléctrica es una fuente de bajo potencial y de elevada corriente. Aunque la diferencia de potencial puede ser de unos 90 mV, el fabricante aumenta la tensión de salida conectando muchas uniones en serie (termopila). Pueden asimismo conectar varias termopilas en paralelo, de manera de aumentar la capacidad de corriente de salida. El calor normalmente proviene de la combustión de propano, butano o gas natural para un lado de la 4 Donald G. Fink and H. Wayne Beaty, ed., Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh ed. (New York, NY: McGraw-Hill, 1978), p. 2-3, and 11-71 to 11-81. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:24 unión. Las temeperaturas del lado caliente de la unión son de aproximadamente 535ºC (1000ºF), mientras que la fuente de extracción de calor del otro lado de la unión, mantiene una temperatura de unos 165ºC (325ºF). La energía producida depende en forma directa de la diferencia de temperatura a ambos lados de la unión. Algunos semiconductores no pueden ser operados en la condición de carga cero, dado que la corriente de salida es necesaria para enfriar la unión PN.5,6 Dado que los termogeneradores no incluyen partes móviles, el mantenimiento es poco importante. Normalmente se requiere una limpieza anual o bien un reemplazo del filtro de combustible y el orificio por donde se inyecta el combustible. Hay unidades con voltajes de hasta 48 Voltios y potencias de unos 500 watts. Los generadores se diseñan basados en la potencia de salida. Para una aplicación eficiente, los generadores termoeléctricos deberían estar asociados a una resistencia de carga cuyo valor se conoce de antemano (usualmente 1 ohm). El operador puede hacer un ajuste bastante limitado de la corriente de salida, ajustando el suministro de combustible, sin embargo, para poder hacer un ajuste se requiere una resistencia en serie con la salida u otro tipo de control de tensión de salida para el ajuste de la corriente.7 Fuente de Energía Solar En la Figura 4.21 se esquematiza una fuente de energía solar, consistente en un panel solar, un controlador de carga y un sistema de baterías. Los paneles solares utilizan semiconductores de silicio especialmente diseñados, los que son sensibles a la luz, convirtiendo la energía solar en energía eléctrica. Estos elementos semiconductores (células o celdas fotovoltaicas) generan una tensión absorbiendo la energia de fotones de luz que inciden sobre el semiconductor, liberando electrones dentro del semiconductor. Las eficiencias de conversión para celdas fotovoltaicas de silicio son del orden de 8 a 14%. Hay equipos de investigación que están tratando de mejorar esta eficiencia de conversión y reducir los costos de producción para la energia fotovoltaica. Hay algunas innovaciones muy recientes utilizando módulos de películas muy delgadas de diseleniuro de cobre e indio (CuInSe2) depositadas sobre una superficie de vidrio, que puede conducir a una importante reducción en los costos en el futuro. Estas investigaciones están actualmente tratando de combinar el silicio amorfo con el mencionado CIS (copper indium diselenide) produciendo una 5 CP 4–Cathodic Protection Specialist Course Manual (Houston, TX: NACE, 2002), p. 1:25-1:27, 3:43:11, 3:18-3:33, and 8:34-8:35. 6 R. L. Bianchetti, ed., Control of Pipeline Corrosion, Second ed. (Houston, TX: NACE, 2001), p. 90, 166-173, 308-310, and 315-317. 7 Global Thermoelectric, 8550 Thermoelectric Generator Operating Manual (Calgary, Alberta, Canada: Global Thermoelectric, 2002). Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:25 celula fotovoltaica de bajo espesor con una eficiencia de conversión de 15.6%8,9,10 Una única celda fotovoltaica produce un voltaje muy pequeño con corrientes muy chicas. Conectando una cantidad de estas celdas en serie, es posible aumentar el voltaje disponible. Conectando un número de estas en paralelo, es posible aumentar la corriente disponible. Por lo tanto, los fabricantes producen paneles solares estándar, los que consisten en una configuración de celdas fotovoltaicas en serie/paralelo, de manera de hacerlos disponibles por ejemplo en voltajes de salida de 6, 12 y 24 volts, con potencias de salida que van desde 5 a 160 watt. Los diseñadores entonces pueden hacer una selección de estos paneles en serie o paralelo de manera de producir el voltaje y la corriente necesaria.11 Un conjunto de baterías para almacenar (backup) es necesario con un sistema de energía solar, para que la corriente de salida requerida esté disponible cuando la energía solar no lo está (durante la noche o bien en días nublados). El ingeniero de diseño debe dimensionar el panel solar no sólo para producir la corriente requerida para la protección catódica, sino para cargar las baterías y que estas actúan cuando la energía solar no está disponible. Cuando la energía solar disponible es insuficiente, el conjunto de baterías suministra la corriente requerida para la protección catódica. Un controlador de carga es un elemento electrónico que controla el estado de carga de la batería, permitiendo que sea suministrada corriente de carga de las mismas cuando es necesario y al mismo tiempo previniendo una sobrecarga de las baterías. 8 Shell Solar, Solar Panels, http://www.shell.com (November11, 2003). Siemens, Solar Panels, http://siemenssolar.co.uk (November 11, 2003). 10 Go Solar Company, Solar Panels, http://www.solarexpert.com (November 11, 2003). 11 Go Solar Company, Solar Panels, http://www.solarexpert.com (November 11, 2003). Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 9 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:26 Paneles Solares Controlador de Carga Regulador de PC Baterías Estructura Ánodos Figura 4.21: Fuente de Energia Solar para PC Generadores Eólicos Si hay una disponibilidad más o menos importante de viento, los generadores eólicos constituyen otra fuente alternativa para protección catódica. Estos generadores de corriente continua entregan corriente razonable a partir de disponer de vientos de alrededor de 16 km/hora (10 mph) alcanzando un máximo de corriente a velocidades de entre 40 a 55 km/hora (25 a 35 mph). Dado que esta corriente de salida varía con la velocidad del viento, se requiere un sistema de baterías que actúa como backup cuando no hay viento, y al mismo tiempo permite cargar las baterías, para producir una tensión de salida constante para el sistema de protección catódica. El generador carga el sistema de baterías y el sistema de baterías suministra la corriente de protección catódica (ver Figura 4.22) Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:27 Generador Eólico Baterías de Almacen. en gabinete Dispersor Structure Estructura Figura 4.22 Generador Eólico para PC A causa del elevado requerimiento de mantenimiento de los generadores eólicos, estas fuentes alternativas se usan menos frecuentemente, especialmente si se tiene en cuenta en el desarrollo en otras fuentes alternativas más competitivas. Los generadores eólicos se disponen comercialmente en potencias desde 400 a 3000 watts, con tensiones de salida desde 12 a 240 Voltios.12 Baterías Si los requerimientos de corriente de protección catódica son relativamente bajos, es posible utilizar baterías para suministrar esa corriente. Una estructura pequeña, aislada eléctricamente y bien recubierta en un medio de alta resistividad, puede utilizar una batería como fuente de energía, a lo mejor en conjunto con ánodos galvánicos, para suministrar la corriente requerida. Las baterías utilizadas en aplicaciones de protección catódica deben ser capaces de soportar una cantidad importante de ciclos de carga y descarga. Los fabricantes de baterías las clasifican en términos de capacidad en amperehora. Dicho de manera más simple, la cantidad de corriente en amperes capaces de suministrar para una cantidad específica de tiempo, en horas. La temperatura tiene un efecto importante sobre la capacidad de las baterías, 12 JATS Alternative Power Company, Wind-driven Generators, http://www.jatsgreenpower.com/windpower.html (November 11, 2003). Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:28 especialmente aquellas de plomo/ácido. A temperaturas de 0ºF (aproximadamente -18ºC) la capacidad de una batería de plomo/ácido cae a cerca de un 50% del valor establecido. Un sistema adecuado de baterias debería ser capaz de suministrar la corriente de salida por un tiempo relativamente largo antes de que sea necesario su reemplazo. 13 Ya sea que las baterías se utilicen como fuente primaria de energía, o bien como fuente de almacenamiento de otra fuente de energía alternativa, siempre se requiere un mantenimiento de las mismas para que operen adecuadamente en un largo plazo. Si las baterías son la fuente primara de suministro de energía, deben ser reemplazadas en forma más o menos frecuente. Debido a estos costos de mantenimiento o bien de reemplazo periódico, los sistemas diseñados en base a esta fuente alternativa pueden ser considerablemente elevados. Turbogeneradores de Vapor de Ciclo Cerrado El Convertidor de Energía ORMAT® (OEC), es un Turbogenerador de Vapor de Ciclo Cerrado (CCVT por sus siglas en inglés Closed Cycle Vapor Turbogenerator ) calificado para operación en Clase I, División 2 (Zona 2, Grupo II) en aplicaciones tanto terrestres como offshore. Básicamente es un sistema de energía que consta de un sistema de combustión, un generador de vapor, un condensador enfriado por aire, un rectificador, alarmas y controles todo dentro de un gabinete (shelter). Es capaz de suministrar de 200 a 3000 watts de energía en corriente continua filtrada, de forma continua 24 horas por día, y una vida útil de 20 años con un mantenimiento y reparaciones relativamente bajo. Sin embargo pueden tener lugar algunas fallas, por lo que deben ser monitoreadas en forma permanente. Opera como un generador con un ciclo de Rankin, que contiene una única parte que rota: el eje sobre el cual está montada la rueda de la turbina y el rotor del alternador. El eje del turboalternador está montado sobre rodamientos con película fluida, los que eliminar cualquier contacto metal-metal, lo que redunda en una operación libre de problemas en el largo plazo. Puede ser operado con diferentes fuentes térmicas ya que el circuito del fluido es cerrado y solamente requiere la aplicación de calor. Los combustibles que pueden utilizarse son gas natural, gas licuado de petróleo, kerosene, combustible de aviación y diesel. 13 Go Solar Company, Solar Panels, http://www.solarexpert.com (November 11, 2003). Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:29 El quemador calienta el fluido de trabajo de naturaleza orgánica en el generador de vapor. El vapor se expande en una turbina, lo que transmite la energía al eje del alternador. El vapor pasa luego a un condensador, donde es enfriado, y una vez condensado de vuelta al generador de vapor. En su camino enfría el alternador y lubrica los rodamientos. El ciclo continúa en la medida que el calor es aportado desde una fuente externa. Dado que está todo cerrado en un gabinete de acero inoxidable, no hay pérdidas del fluido orgánico a lo largo del proceso. El turboalternador produce energía trifásica AC, la cual es posteriormente rectificada y filtrada. La energía de corriente continua DC se regula para una variación de la carga, controlando en forma automática el suministro de combustible al quemador. El sistema está equipado con una unidad de control digital con elementos de seguridad para proteger el equipo contra cualquier anormalidad, incluso el sobrecalentamiento. Celdas de Combustible (Fuel Cells) Una de las fuentes alternativas de energía más nuevas son las celdas de combustible (fuel cells), y aún cuando en este momento no han sido aplicadas a protección catódica, puede resultar una fuente de energía promisoria en el futuro. Aunque la NASA había desarrollado esta tecnología originalmente para el programa espacial, recientemente hay aplicaciones comerciales de esta tecnología. Una celda de combustible tiene tres partes: un ánodo, un cátodo y un electrolito. El combustible, hidrógeno, pasa a través de un ánodo poroso (catalizador) que provoca la pérdida de un eléctron (oxidación). El ión hidrógeno se mueve a través del electrolito en donde se combina con el gas oxígeno que pasa a través del cátodo poroso y los electrones provenientes del ánodo para producir calor y agua. 14 Dependiendo de cada diseño, el combustible puede ser hidrógeno gaseoso, metano, propano y también gasolina. El aire de la atmósfera es el proveedor del oxígeno requerido en el cátodo. La celda de combustible produce corriente electroquímicamente, no hay por lo tanto partes móviles, y el mantenimiento es mínimo. Las celdas de combustible son más eficientes que cualquier otra forma de conversión de energia y no hay contaminación. 14 Online Fuel Cell Information Center, Fuel Cells, http://www.fuelcells.org (November 11, 2003). Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:30 Prueba de Rectificadores • • • • • • PRECAUCION: Sólo personal calificado debe utilizarse para trabajar y ensayar un rectificador. La seguridad debe ser de la mayor importancia cuando se trabaja con un aparato eléctrico. Tener en cuenta las precauciones descriptas en el Capitulo 5. Seguridad. Determinar si el rectificador o cualquier otro equipo eléctrico se encuentran dentro de un área. No proceder a abrir cualquier tipo de caja de conexiones a prueba de explosión, a menos que intervenga alguien calificado para la tarea, y únicamente si los circuitos han sido apagados y cerrados e identificados . No trabajar o retirar cualquier componente del rectificador, sin haber primero de todo haber eliminado el suministro de energía, y haber inhabilitado e identificado el equipo (ver Figura 4.23). Cuando uno toma contacto con un rectificador confirmar que el gabinete no tiene tensión de AC, tomando una medición con respecto a tierra o bien con algun elemento de alarma que lo detecte. Cuando recién se abre un rectificador, identificar los terminales expuestos que tienen un voltaje y tomar medidas para protegerse Vd.mismo. Figura 4.23 Kit Típico para Lock Out / Tag Out Es importante garantizar que el rectificador funcione y que el sistema de protección catódica esté conectado con la polaridad apropiada. El terminal negativo (-) de la fuente debe conectarse a la estructura y el terminal positivo (+) debe conectarse al dispersor (véase Figura 4.24). La conexión correcta del rectificador es CRÍTICA; si es incorrecta puede resultar en daños catastróficos a la estructura que se debe proteger, pérdida de Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:31 producto, daños estructurales, daños a la propiedad, daños al medio ambiente, o muertes. Con mucha frecuencia los cables de protección catódica no están identificados o están identificados incorrectamente. Por lo tanto, es indispensable verificar que la polaridad de la conexión sea apropiada. Esto se logra simplemente midiendo el potencial estructura-medio cerca de la fuente antes y después de activar esta última. Si el potencial se desplaza en sentido electronegativo, la polaridad es correcta. Para este ensayo no debe usarse como cable de medición del potencial, el cable conectado al terminal negativo del rectificador. Al conectar un rectificador a una fuente de alterna, el circuito AC debe ser preferentemente dedicado a ese rectificador y protegido con fusibles. El rectificador nunca debe compartir un circuito AC con instalaciones que normalmente se interrumpan, como luces y bombas. Hay que monitorear regularmente el drenaje de corriente y voltaje de la fuente para asegurarse de que está funcionando. Los datos básicos de funcionamiento de un rectificador incluyen: • Entrada de voltaje AC • Salida de voltaje DC y salida de corriente DC • Etapas de Regulación (Gruesa/Fina) y/o Posición de Valor de Potencial (si se trata de un rectificador de potencial constante o Posición de Valor de la Corriente (si se trata de uno de corriente constante) • Resistencia ánodo-estructura. Regulación sobre transformador Interruptor de DC de salida Interruptor del Circuito + + Al Ánodo - Terminales de DC de salida - Al Cátodo Figure 4.24 Conexiones Típicas en un Rectificador Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:32 Problemas de Salida Un buen programa de mantenimiento a menudo puede detectar fallas potenciales del rectificador antes de que ocurran, permitiendo planificar una reparación antes de un salida real de servicio. Sin embargo, aún con el mejor programa de mantenimiento pueden ocurrir fallas. Con frecuencia, las técnicas básicas de verificación de problemas paso-a-paso (step-by-step troubleshooting techniques) pueden determinar la causa de la salida de servicio. Para el análisis que sigue, sólo consideraremos rectificadores standard monofásicos con ajuste manual. Al verificar las salidas del rectificador periódicamente, existen cuatro síntomas básicos que requieren profundizar la investigación: (1) cero salida de corriente y de voltaje, (2) cero salida de corriente sin cambios en la salida de voltaje, (3) cambio significativo de corriente sin cambios en el voltaje, o (4) cambios significativos tanto en la salida de corriente como en la de voltaje. Corriente y Tensión de Salida Cero Para el caso de una corriente y tensión de salida ambas iguales a cero, se trata de que no hay energía de entrada a la unidad o bien que hay un circuito abierto dentro del rectificador. Primero se determina si hay tensión de corriente alterna en la entrada. Si no la hay, el problema es externo al rectificador. Si hay tensión de alterna de entrada, un circuito abierto existe dentro del rectificador. Sin embargo, el circuito abierto bien puede ser un interruptor de entrada que ha saltado. El componente que ha provocado la apertura del circuito puede ser localizado, habida cuenta que la tensión del rectificador tiene que existir a través del elemento a circuito abierto. Si se determina que el interruptor de entrada ha saltado, seguramente tuvo lugar una sobrecarga o una corriente muy alta. Esta corriente elevada bien pudo haber sido un problema temporal, a lo mejor debido a una descarga de un rayo, o bien por un corto circuito permanente. La mejor manera de proceder es reducir el voltaje de salida con los “taps” de ajuste a un nivel más bajo y volver a enganchar el interruptor. Si éste no vuelve a saltar, el problema era temporal y la salida total de voltaje puede ser vuelta a colocar. Si el interruptor vuelve a saltar, es indicación de que hay un corto circuito permanente. La secuencia para ubicar un corto circuito sobre la base de que el interruptor ha saltado es la que se muestra en la Figura 4.25. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica ¿Vuelve a Saltar? No 4:33 Cortocircuito transitorio o resistencia del circuito bajó. Restaurar la tensión en Taps Si Desconectar el Circuito de Salida y Reconectar Interruptor Saltó Interruptor de Entrada ¿Vuelve a Saltar? No Buscar el cortocircuito en la salida Si Si Desconectar los Taps Reducir Tensión en Taps y Reconectar interruptor ¿Vuelve a Saltar? Si Falla en el transformador o en el interruptor No Falla en el rectificador entre el transformador y la salida Figura 4.25 Ubicando un Corto Circuito en el Circuito de un Rectificador sobre la base de un Interruptor que ha Saltado. Para determinar si el corto circuito es externo al rectificador, desconectar uno de los cables de corriente continua de salida, e intente enganchar nuevamente el interruptor. Si el corto circuito es externo al rectificador, el interruptor no volverá a saltar. Si por el contrario el corto circuito es interno al rectificador, el interruptor o llave volverá a saltar. Ahora, la mejor forma de continuar resulta de aislar el problema a una zona en particular del rectificador, y agregando de a un componente por vez al circuito hasta que el interruptor vuelva a desengancharse (saltar). El corto circuito estará en el último componente conectado. Por ejemplo, el transformador puede ser conectado al interruptor del circuito de entrada, con las planchuelas de regulación retiradas. Corriente de Salida Cero con una Tensión de Salida Invariable Si la tensión de DC de salida del rectificador permanece invariable pero la corriente de salida es igual a cero, estará indicando un circuito abierto Esto podría haber sido causado por: Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica • • • • 4:34 Fusible abierto en el circuito de salida. Si se encuentra un fusible abierto en el circuito de salida, puede haber sido un pico de corriente temporal o bien existe un corto (o ha existido) en el circuito de salida. Conexiones defectuosas. Cables negativo o positivo fallados. Ánodos fallados. Cambio de Corriente Significativo sin variación en el Voltaje de Salida Si la corriente de salida se modifica sensiblemente sin cambios en la tensión de salida, la resistencia del circuito se ha modificado. Si la salida de corriente se ha incrementado, es indicativo de que hay una resistencia menor en el circuito de salida. Esto podría deberse a agregados en el sistema a proteger, contactos con otras estructuras enterradas, o a la aparición de daños significativos en el recubrimiento. Si la corriente de salida se reduce significativamente, es indicación de que existe una resistencia del circuito de carga elevada. Alguna de las causas posibles incluyen la instalación de elementos aislantes, un deterioro del lecho de ánodos, la aparición de alguna discontinuidad por desconexión de alguno de los componentes originales del sistema, o bien bloqueo de gases en el lecho de ánodos. También puede haber una variación de tipo estacional en las condiciones del terreno, tales como secado del mismo o congelamiento, que conducen a un aumento sustancial de la resistencia. Cambios Significativos Tanto en el Voltaje como en la Corriente de Salida Algunas veces se observa una disminución significativa tanto en la tensión como en la corriente de salida. Si la tensión y la corriente de salida tienen aproximadamente la mitad del valor normal, lo más probable es que se trate de una falla parcial en el puente rectificador (pasó de puente de onda completa a uno de media onda). Si el puente rectificador estuviera funcionando apropiadamente, deberá investigarse corto circuitos en los bobinados del transformador. Los datos de funcionamiento del rectificador deben compararse con datos anteriores, tomados en momentos en que se verificó que el rectificador funcionaba. Si se obtienen datos anormales, hay que recurrir a los procedimientos de resolución de problemas (troubleshooting). Si la resistencia ánodo-estructura es normal, el problema está dentro del rectificador. Si es anormal, el problema podría estar fuera del rectificador. Si la resistencia ánodo-estructura no es normal, el problema podría estar fuera del rectificador Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:35 Fallas por circuitos abiertos o corto circuitos pueden ocurrir en todo sistema de corriente impresa. Por lo general un cortocircuito provocará que el interruptor del rectificador o bien el interruptor general de alimentación salten. En muchos casos, también se queman los fusibles de la alimentación. El cortocircuito puede aparecer dentro del rectificador o externamente a la fuente de alimentación. Las siguientes situaciones pueden generar cortocircuitos: • Diodo(s) fallados • Contacto en los bobinados del transformador • Contacto entre el circuito positivo y el circuito negativo o bien con el gabinete del rectificador • Supresores de descargas atmosféricas del tipo "salto de chispa" fallados que quedan en condición de corto circuito. • Los cortocircuitos externos pueden ocurrir debido a cualquier contacto metálico entre los circuitos positivo y negativo. El tipo más común de cortocircuito externo es un contacto inadvertido entre el ánodo o el relleno de baja resistividad y la estructura. Al enfrentar un posible cortocircuito, desconecte todos los cables externos positivos y negativos del rectificador antes de volver a encenderlo. Si luego de encendido el rectificador funciona normalmente, es porque el cortocircuito es externo a la unidad, siempre que el corto reaparezca una vez que se reconectan los cables. Algunos rectificadores pueden funcionar en corto cuando se utiliza el nivel más bajo de regulación de AC. Esto facilita la búsqueda del componente defectuoso. También puede usarse un localizador de tubos o cables conectado entre los cables negativo y positivo del rectificador para identificar un cortocircuito externo. Un método bastante conveniente para identificar el componente en corto consiste en desconectar los componentes progresivamente, empezando por la salida de la unidad hacia el transformador. Los circuitos abiertos pueden aparecer dentro o externos a la fuente de alimentación. La condición de circuito abierto se caracteriza por una salida de corriente igual a cero. Si el circuito abierto es externo al rectificador, en los terminales de éste habrá voltaje. Si el circuito abierto es interno, el voltaje aparecerá a través del componente interno que lo causa. Las causas más comunes de circuitos abiertos internos son las siguientes: Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica • • • • • 4:36 Diodo(s) fallados Cables rotos Conexiones abiertas Interruptor fallado o debilitado Fusible(s) quemado(s) Por lo general en los circuitos abiertos externos aparecen cables rotos o corroídos; sin embargo, en algunos casos, puede haberse consumido el lecho de ánodos. Diagramas de Circuito Cada rectificador debe tener su propio diagrama de circuito, que podrá consultarse a fin de establecer la configuración electrónica de la unidad. Esto está regulado en algunas zonas. Daño Eléctrico Recuerde que al realizar inspecciones visuales el rectificador debe estar apagado y la fuente de AC desconectada. El daño eléctrico, debido a rayos o descargas eléctricas, puede diagnosticarse observando y oliendo los componentes del rectificador. El daño eléctrico aparece con frecuencia en forma de marcas quemadas, derretidas o carbonizadas, o en forma de olor a quemado, proveniente del aislante. Si se observa cualquiera de estos signos, deben realizarse mediciones utilizando un voltímetro y un óhmetro para verificar que el componente funcione. Los componentes sobrecargados eléctricamente estarán calientes al tacto. Medición de la Eficiencia La eficiencia se calcula con un wattímetro y la siguiente fórmula: Percent Efficiency = DC Power Out × 100 AC Power In Ec. 4-2 Por ejemplo, calcule la eficiencia de un rectificador con un drenaje de corriente continua de 10 V 25 A, si el wattímetro da una lectura de 500 watts. Potencia de Salida DC (watts) = VDC x IDC Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Ec. 4-3 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica Eficiencia Porcentual = 4:37 10 V DC × 25 ADC × 100 500 watts Eficiencia porcentual = 50.0 % Si se usa un medidor watts-hora para determinar la entrada de energía, se usa la siguiente fórmula: Potencia Entrada AC = 3600 K N T Ec. 4-4 donde K = constante del medidor (impresa en el frente como kwh) N = número de revoluciones del disco (observar durante 60 segundos como mínimo) T = tiempo de observación en segundos Si la eficiencia es menor a la prevista o el drenaje de voltaje DC es aproximadamente la mitad de lo previsto, las causas pueden ser: • El voltaje de entrada es demasiado bajo para esa unidad • El voltaje de entrada puede ser menor al que debería tener. • La mitad de las placas están abiertas lo que hace que la unidad trabaje como si se tratara de un rectificador de media onda en lugar de uno de onda completa. • Placas muy envejecidas • En una unidad trifásica: Una fase puede estar a circuito abierto Una fase puede tener placas más envejecidas que en las otras fases Filtros Los filtros se usan para mejorar la eficiencia y para el control de la interferencia por ruidos. Consisten en capacitores y reactancias. Si se sospecha que la reactancia está defectuosa, puede reemplazársela en el circuito por medio de un cable de gran sección colocado entre los terminales de la reactancia. Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:38 Por lo general, los capacitores fallan por cortocircuitos. Los capacitores deberían ser protegidos con fusibles. Si el fusible se quema, reemplácelo y encienda el rectificador. Si se vuelve a quemar, es porque el capacitor está defectuoso y hay que reemplazarlo. Detección de Roturas de Cables Las conexiones de cables dentro del rectificador pueden desconectarse o soltarse (v.g., unión soldada rota, conexión quemada, terminales tipo bayoneta semidesconectados). Esto puede chequearse con un multímetro o tirando suavemente de la conexión. Nota: Apague el rectificador antes de realizar el ensayo. También puede haber cables rotos fuera del rectificador. Algunas causas de estas roturas son: daño durante la construcción, la conexión a la estructura rota, conexión anódica rota, o cable anódico roto debido a la exposición del cable metálico al electrolito en una falla de la aislación. Medición de Transformadores y Diodos Si el voltaje AC está presente en el primario pero no en el secundario, verifique si hay un zumbido audible que viene del transformador. Si es así, el primario funciona, pero el problema es que el secundario probablemente está abierto. Verifique las conclusiones anteriores aislando el transformador y verificando la resistencia DC de los bobinados con un óhmetro. Por lo general, el bobinado secundario debería tener menos de un (1) ohmio de resistencia. El primario debería tener 1-10 ohmios de resistencia. Si cualquiera de las dos resistencias es elevada, el bobinado está efectivamente abierto y es necesario reemplazar el transformador. Utilice un voltímetro de alterna para ver si el voltaje es aplicado al puente rectificador. Si la tensión de alterna es la que corresponde, las placas pueden estar abiertas y deberán ser testeadas con un óhmetro. Chequee los cables entre placas si hay un circuito con múltiples placas. Cuando se trate de un puente rectificador con diodos de silicio, retire cada diodo y chequéelo individualmente con un probador de diodos tanto en una como en otra dirección. Un diodo en malas condiciones puede estar en corto circuito o abierto. Si no hay tensión o corriente de salida, el interruptor o el fusible pueden haber saltado. Disminuya ligeramente la salida si se trata de una sobrecarga Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:39 constante. Chequee la posibilidad de un corto circuito en algún componente. Aísle dicho componente y reemplácelo o bien repárelo. Si la llave interruptora sale de servicio ocasionalmente por una razón desconocida, el problema podría ser: • • • • Una sobrecarga transitoria debido a modificaciones en la humedad del terreno Picos en el voltaje de línea o conexiones a la línea equivocadas Cortos Circuitos Intermitentes. Aislar el componente. Chequear que no haya conexiones flojas (Chequear con el óhmetro mientras se mueve el componente - DESCONECTAR LA ALIMENTACION) Llave térmica puede haber sido afectada por el calor del sol - instalar una protección o alguna sombra sobre la misma. No hay tension de alimentación de AC. Chequear con voltímetro. Revisar el servicio al equipo rectificador. • Circuito abierto en algún componente o en alguna conexión • Instrumentos defectuosos o contactos del medidor • Transformador defectuosos Prueba de Diodos Para chequear los diodos, utilizar el multímetro colocándolo en la posición para el chequeo de los mismos (ver Fig. 4.26). Un diodo que funciona correctamente indicará una tensión entre 0.3 a 0.9 Voltios en una dirección, cuando el polo positivo se conecta al ánodo y el negativo al cátodo. En la dirección opuesta, esto es el polo positivo al cátodo y el negativo al ánodo, un diodo que funciona adecuadamente indicará "OL" en el display (por OverLoad o bien Out of Limits). Cuando los diodos están en corto, el instrumento indicará en el display algún valor bajo de voltaje en ambas direcciones. En el caso de un diodo abierto, el instrumento indicará "OL" en ambas direcciones. Para poder verificar correctamente si un diodo es operativo, al menos uno de los polos debe ser desconectado del circuito. Los diodos no pueden ser Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 Fuentes de Corriente Continua para Protección Catódica 4:40 adecuadamente chequeados cuando están conectados dentro del circuito o bien con energía. .320V + OL _ _ + Ensayar el diodo con circuito desenergizado y con al menos uno de los cables desconectado. Prueba en circuito directo e inverso Figura 4.26 Verificación de Diodos Los diodos pueden ser ensayados en un rectificador una vez desconectado éste (locked out) y desconectando los taps del secundario y los cables de corriente continua (DC). Cada tap y cada terminal de salida de DC son los extremos de conexión de cada diodo. Revisar el esquema provisto por el fabricante del equipo para confirmar de qué manera han sido realizadas las conexiones. Lleve adelante el ensayo sobre los diodos tal como se describe en la Fig. 4.26. Si se detecta algún circuito abierto, compruebe los cables de conexión y los fusibles en el circuito. Conecte el probador de diodos en (A), (B), (C) y (D) tal como se muestra en la Figura 4.27. D = Verificador de Diodos Interruptor abierto (lock/out) D Desconectar los Taps (A) Desconectar los Cables de DC I D AC E AC B A C D (B) I E D (C) D DC + Carga DC ? (D) Figura 4.27 Ensayo de Diodos en un Rectificador Monofásico Manual de Protección Catódica Nivel 2 © NACE International, 2006 7/2009 CAPITULO 5 Seguridad Introducción Las medidas de seguridad sirven para protegerlo a usted y a sus colegas de trabajo. Aunque su compañía tome todas las precauciones en este sentido, en última instancia serán sus propias observaciones y acciones las que determinarán si usted o alguien más resulta herido o muerto. Las medidas de seguridad pueden insumir tiempo, pero no pueden pasarse por alto y deben ser siempre prioritarias mientras usted trabaja. Ningún trabajador está obligado a trabajar en condiciones inseguras. Aquí abajo listamos algunos riesgos típicos de la medición e inspección en protección catódica. Una vez evaluados los riesgos específicos para una tarea en particular, deben determinarse las medidas preventivas apropiadas para reducir la exposición a los mismos. Esto puede encararse completando una planilla de Análisis de Seguridad Laboral (Job Safety Analysis o JSA) mediante la cual se identificarán los posibles riesgos y las medidas preventivas para cada etapa del proyecto. Una vez hecho esto, se incorporarán las medidas preventivas y el procedimiento a seguir. Protección Catódica Nivel 2, Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2008 Seguridad 5:2 Proyecto de Análisis de Seguridad Laboral Identificación y Determinación de Riesgos (véase lista de riesgos) Inaceptable Determinación de Riesgos Aceptable Inaceptable Medidas Preventivas Aceptable Empezar Proyecto Nueva Det. de Riesgos Inaceptable Cambio de Riesgos Figura 4.1 Análisis de Seguridad Antes de Comenzar un Proyecto Algunos riesgos a tener en cuenta son: • Traslados − Automóvil o camión (autopista o rutas secundarias) − Vehículos todo terreno (ATV) − Aeroplano − Helicóptero − Bote • Electricidad − Rectificadores − Voltaje AC peligroso en estructuras • Medio ambiente − Riesgos atmosféricos, como gases ácidos, H2S − Contaminantes en suelo o en agua • Materiales peligrosos − Planillas de seguridad en el manejo de materiales (MSDS) • Zanjas − Con pendiente o apuntaladas • Reptiles, animales o insectos • Trabajo en alturas Protección Catódica Nivel 2 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2006 Seguridad − Sobre tierra − Sobre agua • Trabajos subacuáticos • Riego(s) específico(s) inherentes al proyecto. • Trabajos en espacios restringidos o confinados. Esta lista no pretende reemplazar un programa completo de seguridad. Los riesgos que se detallan a continuación son los que se relacionan específicamente con la protección catódica y no siempre se los encuentra en los programas más comunes de seguridad. Electricidad Los técnicos y encargados de realizar mediciones de protección catódica tienden a subestimar los riesgos relacionados con la electricidad, ya que en muchos casos los voltajes a medir son muy bajos, como así también las fuentes de energía. Este no es el caso si se trabaja con equipos eléctricos como rectificadores o estructuras próximas a líneas de corriente alterna. Equipos Eléctricos (Rectificadores) Gabinete del Equipo Eléctrico (Rectificador) Siempre asuma que el equipo eléctrico o rectificador puede no tener una buena puesta a tierra y estar energizado más allá de lo previsto. ¡Esto ha ocurrido! Antes de tocar el gabinete, mida el voltaje gabinete-a-tierra o utilice un instrumento que detecte voltaje AC mediante una luz que se enciende en presencia de un voltaje AC. No toque el gabinete del rectificador mientras realiza la medición; en el primer ensayo, no extienda sus brazos haciendo puente entre el gabinete y el electrodo que hace contacto con la tierra. El voltaje gabinete-a-tierra debería ser virtualmente de 0 VoltsAC. Recuerde que lo fatal es la corriente circulando a través del cuerpo. La magnitud de corriente que puede resultar fatal varía según la persona y lo prolongado de la exposición. Generalmente, se toma como umbral de percepción 1 mA. Una corriente de 9 a 25 mA puede provocar una falta de control muscular (corriente que no permite retirarse) que imposibilite soltar el metal y hasta contraer más aún los músculos 1 . Las investigaciones 1 IEEE Std. 80, IEEE Guide for Safety in Substation Grounding, Institute of Electrical and Electronics Engineers Protección Catódica Nivel 2 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2006 5:3 Seguridad 5:4 indican que, para considerarse segura, la máxima corriente que puede circular entre un brazo y una pierna es de 100 mA en 3 segundos2. Con una corriente mayor, puede sobrevenir la muerte como resultado de una fibrilación ventricular del corazón. Ejemplo: Si la resistencia de una persona es de 1000 Ω y se hace contacto con 120 VAC, según la Ley de Ohm (I=E/R), la corriente a través del cuerpo será de 120 mA, suficiente como para ser fatal. Nótese que los rectificadores pueden funcionar a 240 VAC, 480 VAC o hasta a 600 VoltsAC , en cuyo caso la corriente a través del cuerpo aumentará proporcionalmente. Rectificadores de Protección Catódica (PC) • Los rectificadores de PC tienen terminales de corriente alterna y continua expuestos en el panel del rectificador. La exposición al voltaje varía según el tamaño y diseño del rectificador. No haga contacto corporal con ningún terminal eléctrico cuando el rectificador está energizado y protéjase de este riesgo. • Realice mediciones con puntas de prueba aisladas diseñadas a tal fin usando el método de una sola mano, evitando el contacto con el extremo de la punta de prueba. Nunca presione el extremo de una punta de prueba y un terminal o cable entre sus dedos para hacer contacto. • ¡Apagando el interruptor del circuito, el frente del panel será seguro pero no la parte posterior o interior del rectificador! • La conexión a la alimentación de corriente alternada (AC) fuera del rectificador debe estar APAGADA (fuera de servicio/rotulada) antes de que sea seguro trabajar sobre cualquier parte del rectificador. • Verifique que no haya tensión de AC mediante mediciones, ya que los contactos de la llave interruptora pueden fundirse haciendo contacto aún en la posición de desconexión (tripped position). • Al cambiar los elementos de regulación (taps) cambiar partes o instalar y sacar de servicio el rectificador, clausure y rotule (lock out and tag)el interruptor del rectificador o la conexión a la alimentación de AC después de apagarlo. Este es un buen hábito, e incluso obligatorio por reglamentación en muchas zonas. • Ninguna medición detrás del panel requiere que el rectificador esté energizado, excepto la medición del voltaje AC que ingresa al 2 L.P. Ferris, B.G. King, P.W. Spence, H.B. Williams, Effect of Electric Shock on the Heart, AIEE Trans., Vol. 55, pages 468-515 & 1263 May 1936 and IEEE Std 80. Protección Catódica Nivel 2 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2006 Seguridad rectificador. Esta última medición solo debe ser llevada a cabo por personal entrenado a tal efecto, y solo debe medirse si los terminales son accesibles fácilmente al costado del rectificador. Recuerde que incluso con el interruptor del rectificador en OFF, el voltaje de la línea de AC todavía llega al interruptor del circuito del rectificador. • Recuerde apagar, clausurar y rotular (lock out and tag) la conexión a la alimentación de AC al operar con el rectificador o reemplazar componentes. De esta forma, nadie podrá encender accidentalmente la corriente hasta que sea seguro. Cancelar/Rotular (Lock Out/Tag Out) La cancelación (o puesta fuera de servicio) y rotulación o identificación (LOTO por lock out/tag out) sirve para asegurar que la energía no pueda encenderse accidentalmente mientras haya gente trabajando con el equipo. Además, crea un hábito de trabajo seguro. Lo mismo sucedió con los cinturones de seguridad, que al principio resultaban molestos, pero ahora uno se siente incómodo si no están colocados cuando el vehículo se mueve. Lo mismo se puede decir del LOTO: si seguir este procedimiento se torna un hábito, usted se sentirá intranquilo si no está colocado, haciéndole estar más consciente del peligro. En muchas zonas, es obligatorio por reglamentación. Hay algunas reglas comunes para aplicar: • La persona que instala el LOTO debe ser la que lo retira • Si hay más de una persona trabajando sobre el equipo, debe instalarse un candado grupal tipo tijera en el identificador de cada integrante del grupo (Figura 5.1). • La etiqueta detalla el nombre de la persona, un contacto, fecha y el equipo que se está poniendo en condición fuera de servicio. • El equipo no debe reencenderse hasta haberlo inspeccionado para determinar que es seguro, y hasta que todos los identificadores hayan sido retirados por el dueño. Protección Catódica Nivel 2 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2006 5:5 Seguridad 5:6 Figura 5.1 Elemento Grupal tipo Tijera para LOTO Todo el personal de protección catódica debería llevar un kit LOTO consigo mientras están en el campo, si piensan trabajar con rectificadores. Zonas de Riesgo Eléctrico Si existe la posibilidad de que haya una mezcla explosiva de hidrocarburo, la zona se considerará “riesgosa” y el equipamiento eléctrico debe instalarse dentro de una caja de conexiones sellada a prueba de peligros . El técnico de PC debe determinar si está calificado/a para trabajar con equipamiento eléctrico en una zona riesgosa. Antes de exponer el equipamiento eléctrico a una zona riesgosa, éste debe estar apagado, fuera de servicio e identificado para evitar la aparición de un arco, que puede servir de fuente para una ignición. Explosiones o Igniciones Además de las zonas riesgosas, muchas estructuras con protección catódica contienen sustancias potencialmente explosivas o combustibles. En ciertas circunstancias, un sistema de protección catódica puede tener suficiente energía como para encender un material combustible o provocar una explosión. Según las características del circuito, siempre que se separa un conductor que transporta corriente puede producirse una chispa. Por ejemplo, en una Protección Catódica Nivel 2 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2006 Seguridad tubería protegida catódicamente que conduce la corriente de retorno al rectificador, puede producirse una chispa de gran intensidad si se corta o separa la tubería en una junta. Si la atmósfera es combustible, puede producirse una explosión. Para evitar esta situación, debe instalarse provisoriamente una unión eléctrica a través de la zona en que va a cortarse la sección de tubo o a desconectarse una brida. También puede producirse una chispa de gran intensidad cuando se produce una conexión eléctrica, accidental o deliberada, entre una estructura con protección catódica y otra estructura metálica. Al momento de producirse la conexión, puede haber una chispa. Por ejemplo, cuando un barco o barcaza que contiene un material combustible atraca en un muelle con protección catódica, generalmente el barco y el muelle harán contacto eléctrico a través de cabos metálicos u otros elementos. Para evitar una situación potencialmente desastrosa, se suele unir el muelle y el barco usando dos cables de unión antes de abrir cualquier compuerta del barco; así, si se produce una chispa, ésta tendrá lugar en la unión, antes de que se liberen los vapores potencialmente explosivos. Otra precaución consiste en apagar el o los rectificadores de protección catódica hasta que la embarcación esté unida al muelle en forma segura. Por ultimo, en áreas donde la atmósfera puede ser explosiva, no debe permitirse la presencia de ningún componente de protección catódica que pudiera provocar una ignición o una chispa. Por ejemplo: diques alrededor de tanques que contengan materiales combustibles, instalaciones que contengan o alojen componentes de tuberías de propano, gas natural o productos combustibles, plataformas de producción de gas o petróleo, etc. Los rectificadores comunes y muchos tipos de supresores de descargas atmosféricas (lightning arresters) son potenciales fuentes de ignición. En situaciones especiales en que sea necesario instalar un rectificador en una zona donde la atmósfera pueda ser explosiva, debe usarse un rectificador sumergido en aceite con conexiones, interruptores y componentes a prueba de explosiones. En este caso, es preciso asegurarse de que el diseño a prueba de explosiones sea el adecuado según la clasificación de la zona y que el diseño no se vea perjudicado por una instalación inapropiada. Relevamientos de Protección Catódica Existe siempre la posibilidad de encontrar potenciales peligrosos cuando se lleva a cabo una medición de protección catódica. A continuación se sugieren algunas precauciones: Protección Catódica Nivel 2 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2006 5:7 Seguridad • Asuma que el potencial a medir puede ser peligroso. Nunca entre en contacto con un circuito antes de determinar que el potencial es seguro. • Si existe la posibilidad de que haya corriente alterna, mida primero la tensión de la misma. • Evite realizar mediciones durante tormentas eléctricas, ya que aún las descargas remotas pueden inducir potenciales peligrosos en las estructuras. • Tenga cuidado al trabajar cerca de líneas de alta tensión o, al medir a través de aislaciones y celdas de polarización, use el método de conexión con una sola mano con cables y conectores de medición aislados. • Tenga en cuenta los posibles riesgos de descargas al operar sistemas de protección catódica en el agua. Tensión Inducida Cuando una estructura o un alambre metálico corren en paralelo a una línea de alta tensión (HVAC), puede encontrarse una tensión significativa. Una tensión peligrosa puede aparecer en una estructura como resultado de la inducción, de corrientes de retorno en la tierra o de corrientes de falla en el circuito de potencia. Si existe la posibilidad de potenciales peligrosos, siempre debe medirse primero la tensión-a-tierra de la estructura. Tenga cuidado de no hacer contacto físico directo con el circuito de medición. Utilice un multímetro para medir el potencial AC entre la estructura y un electrodo de referencia de cobre-sulfato de cobre en contacto con la tierra o cualquier otra resistencia de puesta a tierra de valor bajo. Si se mide una tensión mayor de 15 V, debe considerarse a la estructura como peligrosa, y deben tomarse medidas para reducir el nivel del potencial. Si se determina que la tensión es menor de 15 Vac, no es necesario tomar medidas específicas, si bien siempre debe mantenerse la precaución ya que este voltaje puede cambiar en cualquier momento si cambia la carga que transporta la línea de alta tensión. La Norma NACE SP0177, Mitigation of Alternating Current and Lightning Effects on Metallic Structures and Corrosion Control Systems (Mitigación de Corriente Alterna y Efectos de Descargas Atmosféricas en Estructuras Protección Catódica Nivel 2 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2006 5:8 Seguridad Metálicas y Sistemas de Control de la Corrosión), brinda información muy útil con respecto a la seguridad. Recomendamos que se familiarice a fondo con este documento, especialmente con la Sección 5, “Protección del Personal”. La Norma NACE SP0177 está incluida en la sección de Apéndices de este manual. Una tubería paralela a una línea de alta tensión puede alcanzar tensiones peligrosas si están varios tramos soldados y sobre soportes , pero sin tapar. Al trabajar con este tipo de líneas, deben tomarse precauciones especiales; entre las cuales se incluyen: puesta a tierra temporaria del tubo, evitar el contacto físico con el tubo y otras estructuras de puestas a tierra y evitar el contacto físico a través de juntas aislantes. En la muestra de diapositivas de NACE Internacional titulada “Some Safety Considerations During Construction Near Power Lines (Algunas consideraciones con respecto a la seguridad durante la construcción cerca de líneas de alta tensión)” se detallan las precauciones a tomar en estos casos. Si hay una línea de alta tensión cerca, mida siempre la tensión -a-tierra antes de medir el potencial de corriente continua estructura-electrolito o antes de tocar la estructura Excavaciones Con frecuencia, el personal de PC debe trabajar dentro de excavaciones. En todas las jurisdicciones existen regulaciones con respecto a los requerimientos de las pendientes mínimas para distintos tipos de suelos, o bien si se requiere un apuntalado. Deben estar colocados los medios para salir rápida y fácilmente de la excavación (escaleras). Si no están asegurados, el relleno y los materiales deben estar a un metro o más del borde de la excavación. Debe impedirse el ingreso de agua a la excavación. Mientras el operador está dentro de la excavación, debe haber en todo momento una persona que vigile en la superficie, permaneciendo allí hasta que el operador salga. Ningún operador está obligado a trabajar en condiciones inseguras y está en su derecho de negarse a entrar si éste es el caso. Tenga siempre en cuenta que no es necesario que una persona esté completamente enterrada para asfixiarse o sufrir un ataque al corazón. Protección Catódica Nivel 2 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2006 5:9 Seguridad 5:10 Materiales Peligrosos En su trabajo, usted puede encontrarse con materiales peligrosos como los que se listan a continuación. No manipule estos materiales a menos que tenga el entrenamiento o certificación adecuados. Estos materiales incluyen: • Solventes • Ácidos que se usan para limpiar metales • Cáusticos que se usan en las celdas de polarización • Sustancias químicas que se usan en los electrodos de referencia. Planillas de Datos de Seguridad para el manipuleo de Materiales (Material Safety Data Sheets - MSDS) Para cualquier sustancia química y muchos equipos existen planillas de datos de seguridad (MSDS). Estas planillas suministran información acerca de los riesgos asociados con sustancias químicas, polvo, productos de corrosión, etc., y también contienen información importante para los primeros auxilios o el personal médico. Entre los productos para los cuales se dispone de información de seguridad, se incluyen: • Sulfato de cobre • Ánodos para corriente impresa y galvánicos • Relleno de carbón de petróleo y metalúrgico. Estas planillas deben estar siempre disponibles. • Por ley, usted siempre debe tener planillas MSDS para cualquier sustancia química que vaya a usarse. • Conozca, entienda y siga la información y los procedimientos especificados. Protección Catódica Nivel 2 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2006 Seguridad Productos de Reacción En un sistema de protección catódica en funcionamiento, pueden generarse diversos gases, ya sea en la superficie anódica o en la catódica; entre ellos, oxígeno, gas cloro, dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrógeno. Algunos gases son potencialmente explosivos. El desplazamiento del oxígeno por alguno de los otros gases mencionados puede provocar asfixia. Algunos gases son tóxicos al inhalarlos. Alrededor de los dispersores (camas) profundos puede haber medios con bajo pH (ácidos). Debido a estos problemas, deben evitarse las situaciones en que puedan acumularse los gases generados por un sistema de protección catódica. Otras Precauciones Algunas otras precauciones a tener en cuenta que no se han mencionado más arriba son: • Use anteojos, guantes, zapatos e indumentaria de seguridad. • Evite las llamas abiertas. • Evite provocar chispas eléctricas, especialmente en áreas que puedan contener un hidrocarburo. • Estudie los procedimientos de manipulación/almacenamiento de sustancias químicas y materiales o equipos peligrosos . • Trabajo en altura. • Animales, reptiles e insectos • Vehículos: Conduzca con precaución y tenga en mente los posibles riesgos Protección Catódica Nivel 2 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2006 5:11 CAPÍTULO 6 Mediciones de Campo General Conocer los procedimientos de medición adecuados es una habilidad esencial para un técnico en protección catódica. Usted deberá ser capaz no sólo de realizar las mediciones que se requieran, sino también enseñar los procedimientos al personal menos calificado. Los estudiantes que toman este curso deberían tener varios años de experiencia de campo realizando estas mediciones y llevando a cabo relevamientos. Deben conocer los instrumentos, comprender la teoría que corresponde a las mediciones y estar familiarizados con los posibles errores que pueden llevar a una interpretación errónea de los resultados. Medición de la Efectividad de la Protección Catódica Son muchas las técnicas que pueden ser utilizadas para determinar el grado de protección catódica de una estructura, que asegure que ésta está protegida contra la corrosión Algunas de ellas: • Potencial de la estructura con respecto a un electrodo de referencia. • Cupones de prueba • Mediciones de corriente • Mediciones de potencial en superficie • Resistividad del terreno • Observación directa • Frecuencia de fallas • Inspección interna. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Ensayos de Campo 6:2 Potenciales Estructura a Electrolito La definición de un potencial estructura-electrolito, a veces referido como potencial tubería-electrolito, tanque a electrolito o bien potencial estructurasuelo, es la siguiente: “La diferencia de potencial entre la superficie metálica de la estructura y el electrolito, la que es medida en referencia a un electrodo en contacto con el electrolito.” El potencial estructura a electrolito es una medición tomada con el voltímetro conectado en paralelo en el circuito. La resistencia del circuito externo es alta, de forma tal que la resistencia de entrada del voltímetro deberá ser lo suficientemente alta como para evitar derivar mucha corriente de la estructura lo que hace que se alcancen mediciones no precisas. Además, como ya ha sido discutido anteriormente, un electrodo de referencia, a menudo llamado celda de referencia, debe utilizarse haciendo contacto con el suelo (electrolito). Los relevamientos de potencial de la estructura al suelo son utilizados para: • Ubicar áreas anódica en tuberías no protegidas catódicamente. • Determinar la efectividad de la protección catódica en estructuras provistas de protección catódica. • Localizar corrientes parásitas o vagabundas • Localizar corto circuitos y contactos • Localizar fallas en el recubrimiento Las mediciones de potencial son comunes para determinar si se ha alcanzado una protección adecuada. Como resultado de la aplicación de corriente desde el medio hacia la estructura, se manifiesta un cambio en el valor del potencial. El cambio de potencial refleja la polarización. Las mediciones son realizadas para determinar si alguno de los criterios de protección catódica han sido satisfechos (ver Capitulo 2 donde se plantea una discusión sobre los criterios). De acuerdo con las normas de NACE, todas aquellas caídas de potencial, con excepción de la que existe en la interfase estructura a electrolito, debe ser tenida en cuenta para poder determinar la efectividad de un sistema de protección catódica utilizando esta medición de potenciales. Son varios los métodos para tener en cuenta estas caídas de potencial: CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo • 6:3 Minimizar la distancia entre el electrodo de referencia y la superficie de la estructura. Medir el potencial en el instante en que el flujo de corriente es interrumpido (potencial instant-off) Medir la formación de la polarización o bien su pérdida, cuando la corriente es conectada o desconectada. Instalar cupones externos de protección catódica en las cercanías de la estructura simulando fallas en el recubrimiento. • • • Las ventajas de usar el potencial de la estructura con respecto a una referencia son obvias, y las mediciones de potencial son comparadas con los criterios de la norma. Las desventajas son que todas las fuentes de protección catódica deben ser interrumpidas simultáneamente, que las corrientes parásitas o vagabundas van a afectar las mediciones de potencial, los potenciales de polarización de las estructuras protegidas con ánodos galvánicos no pueden ser obtenidos, y también que las mediciones de potencial son realmente un valor promedio. Promediar las mediciones de potencial significa que las mediciones superficiales pueden no ser capaces de detectar pequeñas celdas de corrosión que no han sido protegidos catódicamente. El Circuito de Medición del Potencial y el Error en la Medición La finalidad de medir el potencial es poder determinar el potencial de la tubería (Ep) en forma precisa en el lugar de la medición. El circuito de medición puede ser representado por el circuito eléctrico de la Figura 6.1. Rtl,1 Rtl,2 Rm Rtl = resistencia de conductores where: resistencia del voltímetro Rm = R m = voltmeter input resistance Rp,e =Rresistencia a tierra de tubería resistance t,l = test lead Rr,e re Rtl,3 Im = resistencia a tierra de la referencia Rr,e R = pipe-to-earth resistance p,e corriente del circuito Im = R resistance = reference-to-earth r,e Etrue =IEp – (securrent asume Eref igual a cero) refeter = Em m Rp,e re = terreno remoto _ Etrue Etrue = Ep Eref but Eref is assumed to be zero Figura 6.1 Esquema Eléctrico del Circuito de Medición del Potencial Estructura al Electrolito CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:4 Lo que debería aparecer idealmente en los bornes del instrumento de medida, sería la diferencia de potencial verdadera (Etrue) entre la tubería y el electrodo de referencia. Dado que el circuito de medición es un circuito serie, la magnitud de la caída de potencial que aparece en los bornes del instrumento, será proporcional a la relación que existe entre la resistencia del instrumento y la resistencia total del circuito de medición. Para el circuito de medición, se aplica la ley de voltaje de Kirchhoff y la diferencia de potencial verdadera es en realidad igual a la suma de las caídas de potencial a lo largo del circuito en serie . Etrue = ImRt Ec. 6-1 Etrue = Im [Rtl,1 + Rtl,2 + Rtl,3 + Rp,e + Rr,e + Rm] Etrue = Vtl,1 + Vtl,2 + Vtl,3 + Vp,e + Vr,e + Vm Vm = Etrue – [Vtl,1 + Vtl,2 + Vtl,3 + Vp,e + Vr,e] Hagamos que Vcirc sea igual a todas las caídas de potencial con excepción de la caída de potencial en el instrumento de medición, entonces Vm = Etrue – Vcirc pero:: Etrue = ImRt y Vcirc = ImRcirc y: Rt – Rcirc = Rm luego: Vm E true = Rm Rt Ec. 6-2 Entonces, la magnitud del voltaje (Vm) que nos entrega el instrumento comparada con la diferencia de potencial verdadera (Etrue) es directamente proporcional a la relación entre la resistencia del instrumento (Rm) y la resistencia total del circuito. Un ejemplo: Considere un potencial verdadero potential (Etrue) de 1,000 mV, cada una de las resistencias de cables (Rtl) de 0.01 Ω, una resistencia de la tubería con respecto a tierra (Rp,e) de 10 Ω, una resistencia del electrodo de referencia a la tierra (Rr,e) de 100 kΩ, y una resistencia interna del CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:5 instrumento (Rm) de 1 MΩ. voltímetro. Rt Calcular el voltaje que aparecería en el = 3Rtl + Rp,e + Rr,e + Rm = 3(0.01) + 10 + 105 + 106 Rt = 1.1 MΩ De la Ecuación 6-2 Vm = Rm × Et Rt Vm = 1.0 M Ω × 1,000 mV = 1.1 M Ω 909 mV Esto representa un error de: 1,000 − 909 × 100 = 9% 1,000 Si la resistencia de entrada del instrumento en el ejemplo fuera aumentada a 10 MΩ, el voltímetro entregaría una lectura de 990 mV lo que reduciría el error a sólo un 1%. El voltaje que entrega el voltímetro se aproxima al potencial verdadero, a medida que la resistencia del instrumento se hace muy grande con respecto a las otras resistencias presente en el circuito de medición. Por lo tanto deberían evitarse incluir altas resistencias en el circuito de medición, excepción hecha de la resistencia del instrumento. La resistencia de contacto del electrodo de referencia puede ser una fuente de error cuando la referencia se coloca sobre suelo seco, o bien suelo de mucha capacidad de drenaje, piedra partida, terreno congelado, asfalto o concreto. Para minimizar este error, se puede mejorar la conducción humectando el area alrededor de la zona donde se apoya el electrodo. En casos extremos se puede hacer un agujero desde la superficie hasta un nivel con humedad permanente, o bien crear un puente electrolitico entre la referencia y la tierra (Figuras 6.2a y 6.2b) CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:6 small diameter agujero de diámetro hole filled with pequeño lleno con a soapy water jabonosa agua Tubo PVC Suelo seco o terreno congelado arcilla a) suelo seco o terreno congelado b) asfalto o concreto Figura 6.2 Métodos para Minimizar la Resistencia de Contacto del Electrodo de Referencia En la Figura 6.2a, la profundidad desde el nivel del terreno hasta la arcilla debe estar por debajo de la línea de la zona congelada y al menos hasta una zona donde hay humedad permanente. Para el caso de superficies de asfalto o concreto, una solución jabonosa proveerá un mejoramiento del contacto aún con una reducción en la altura del agua en el agujero. Otras resistencias altas pueden ser el resultado de cables dañados o rotos, las resistencias muy altas en las conexiones, y tambien si la resistencia de la tubería es muy alta, debido a que por ejemplo puede ser de corta longitud o muy bien recubierta. Cuando se hace una medición de potencial, puede no ser tan obvio que hay una resistencia muy alta del circuito presente. Si el voltímetro posee una llave selectora que permite modificar la resistencia interna del instrumento, puede sacarse información si estamos en presencia de un circuito de alta resistencia. Si al cambiar la llave selectora, tenemos una diferencia significativa (por ejmplo de más del 10%) en el valor del potencial, entonces hay una resistencia grande en el circuito de medición. Si conocemos ambas resistencias de entrada del instrumento y los valores de potenciales correspondientes, el potencial verdadero puede ser obtenida utilizando la Ecuación 6-3. E true = Vh (1 − K) Vh 1− K Vl CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ec. 6-3 Ensayos de Campo 6:7 donde: Etrue K Rl Rh Vl Vh = = = = = = potencial verdadero o real (V) relación entre impedancias de entrada Rl/Rh resistencia de entrada más baja resistencia de entrada más alta Voltaje medido con la resistencia más baja Voltaje medido con la resistencia más alta Ejemplo: Si una diferencia de potencial (Vl) de –650 mVcse fue medida con una resistencia de entrada (Rl) de 1.0 MΩ y una diferencia de potencial de – 800 mVcse (Vh) fue medida con una resistencia (Rh) de 10 MΩ, el valor verdadero del potencial (Etrue) será calculado según: - 800 mV (1 − 0.1) ⎛ - 800 mV ⎞ ⎟⎟ 1 − 0.1 ⎜⎜ ⎝ - 650 mV ⎠ E true = - 720 mV = 1 − 0.123 = - 720 mV 0.877 = - 821 mVcse Etrue es el valor del potencial polarizado. También la resistencia total del circuito (Rt) puede ser obtenida utilizando la ecuación 6-2. Rt = = R m × E true Vm 10 MΩ × 821 mV 800 mV Rt = 10.3 MΩ Esto significa que la resistencia en el circuito de medición, excluyendo la resistencia del instrumento es is: Rcirc = Rt – Rm = 10.3 MΩ – 10 MΩ Rcirc = 0.3 MΩ or 300,000 Ω CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:8 Cuando la carga fluye en la tierra hacia o desde la tubería, y con una resistencia del terreno, se generan caídas de potencial que definen un gradiente de potencial alrededor de una tubería, como se ilustra para una tubería desnuda en la Figura 6.3. línea equipotencial (superficie) línea de corriente Figura 6.3 Líneas de Corriente y Voltaje alrededor de una Tubería Desnuda que recibe Corriente de Protección Catódica rd Fuente: Parker, Marshall and Peattie, Edward, Pipeline Corrosion and Cathodic Protection, 3 Edition, Gulf Publishing Co., Houston, TX, p.25 Las líneas de corriente son las que aparecen en forma de distribución radial, en tanto que las líneas perpendiculares a aquéllas son las que corresponden a las superficies equipotenciales creadas por la circulación de corriente. Las superficies equipotenciales no están espaciadas de manera uniforme, pero aumentan con el alejamiento de la tubería, debido que cada capa sucesiva de tierra que es atravesada por las líneas de corriente tiene una mayor superficie y por lo tanto una menor resistencia. Si se toma una diferencia de potencial con el electrodo de referencia posicionada en A, y la dirección de la corriente es hacia el tubo (como sería el caso en protección catódica), habrá una diferencia de potencial (Vs) en el suelo entre el electrodo de referencia y la superficie del tubo. El terreno en el punto A es más positivo que el suelo inmediatamente adyacente a la superficie de la tubería. Si la diferencia de potencial entre dos superficies equipotenciales adyacentes es de 10 mV, la caída de potencial en el suelo entre la superficie de la tubería y la ubicación del electrodo de referencia será de 10 líneas por lo que 10 líneas × 10 mV = 100 mV. El suelo en contacto con la superficie de la tubería está –100 mV con respecto al suelo en el lugar de ubicación del electrodo de referencia. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:9 Por ejemplo, si el potencial polarizado (Ep) de la tubería es de –790 mVcse el instrumento leerá: Vm = –790 mVcse + (–100 mV) Vm = –890 mVcse Por lo tanto, hay un error de 100 mV en la medición que hace aparecer a la tubería mejor protegida que lo que realmente está. Para una tubería bien recubierta, el campo de líneas equipotenciales se forma alrededor de las fallas en el recubrimiento como se muestra en las Figuras 6.4 y 6.5. holiday Figura 6.4 Líneas de Corriente y Potencial alrededor de un Holiday en una Tubería Recubierta d Figura 6.5 Líneas de Corriente y Potencial en la Inmediata Vecindad de un Holiday CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:10 En una tubería recubierta, la mayor parte de la caída de potencial está concentrada en la vecindad de la falla (holiday). Normalmente el 95% de la caída de potencial total entre el electrodo de referencia y el acero expuesto en la falla se encuentra dentro de unos 10 diámetros de distancia (en nuestro caso 10 d). Para una falla de 1 cm de diámetro, el 95% de la caída de potencial cae dentro de un radio de 10 cm. desde la falla.1 Errores de Caídas de Potencial en la Medición del Potencial Debido al Flujo de Corriente en la Tubería Hay caídas de voltaje cuando hay corriente que circula por la tubería y si la conexión a la misma está remota con relación a la ubicación del electrodo de referencia, como se muestra en la Figura 6.6, y entonces habrá un error IR (Vp) en la medición del potencial . I I I Vp Figura 6.6 Caída de Potencial en una Tubería por la que Circula Corriente Determinación y Corrección del error por caída IR (Caída Ohmica) Las mediciones de potencial muchas veces incluyen errores causados por caídas óhmicas, especialmente en el electrolito, como ya se dijo antes. Por consiguiente, la magnitud de los errores por caída óhmica debe determinarse y compensarse cuando se miden y se evalúan los datos de campo. Existen varios métodos comunes para determinar y corregir la caída óhmica: • Interrumpir la corriente y medir el potencial antes de que haya una despolarización significativa (llamado generalmente potencial "instant off"). 1 Gummow, R.A., The Cathodic Protection Potential Criterion for Underground Steel Structures, NACE International, CORROSION/93, Paper No. 564, p. 5. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:11 • Colocar el electrodo de referencia cerca de la superficie expuesta del metal de la estructura a medir. En una estructura recubierta, debe colocarse la referencia cerca de una falla del recubrimiento (holiday). • Colocar el electrodo de referencia en terreno remoto para incluir el máximo error por caída óhmica, y luego restar este error de los potenciales medidos con la referencia ubicada más cerca de la estructura. • Disminuir la corriente por etapas mientras se mide el cambio en el potencial estructura-electrolito y el correspondiente gradiente de voltaje en superficie. La curva creada con estos datos se extrapola a cero para identificar el error total por caída óhmica en el potencial estructuraelectrolito con la corriente total. En algunas situaciones, el error por caída óhmica puede despreciarse, si la corriente y/o la resistencia son pequeñas. La resistencia de un paso de corriente está en función de su superficie transversal, su resistividad y su longitud. Antes de desestimar la caída óhmica, hay que determinar su magnitud para verificar que sea insignificante. Interrupción de la Corriente El método más efectivo de eliminar los errores por caída óhmica es hacer que la corriente sea igual a cero, haciendo el producto IR igual a cero. Por lo general, una caída IR igual a cero se alcanza interrumpiendo temporariamente el flujo de corriente y midiendo instantáneamente el potencial de la estructura. Este potencial debe medirse inmediatamente, ya que con el paso del tiempo, la estructura comenzará a despolarizarse (ver Figura 6.7). CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:12 Figura 6.7 Waveprint Ilustrando el Ciclo OFF de Despolarizacion Sin embargo, puede haber picos significativos del potencial debidos a efectos inductivos y capacitivos relacionados con la interrupción de la corriente de protección catódica. El potencial “instant-off” debe medirse después del decaimiento de este pico (Figura 6.8) pero antes de que haya habido una despolarización significativa de la estructura. Figura 6.8 “Forma de Onda”(Waveprint) de Potencial Estructura-Electrolito que Muestra el “Pico”(Spike) Durante la Interrupción de la Corriente CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:13 Para medir el potencial estructura-electrolito “Off”, deben interrumpirse todas las fuentes de corriente que influyan en la zona a investigar. Esto se logra instalando un interruptor de corriente en todas las fuentes que influyen sobre el sistema analizado. Los interruptores son, básicamente, un relay conectado a un cronómetro muy preciso. Pueden sincronizarse varias unidades para que tengan ciclos al unísono, lo que permite interrumpir simultáneamente varias fuentes de corriente, eliminando eficazmente toda la corriente de la estructura en el mismo instante. Sin flujo de corriente, las caídas de potencial caen a cero y el potencial medido es el potencial polarizado de la tubería. Potencial Medido ( Em ) = Ecorr + Polarización + Caída Óhmica Esto se ilustra en la Figura 6.9. P o t e n c i a l + Ec.6-4 Potencial ON IR Potencial OFF o Corregido por IR Polarización Depolarización Potencial Despolarizado t=0 Tiempo Figura 6.9 Eliminación de la Caída Óhmica mediante Interrupción de la Corriente y la Consiguiente Despolarización Esta técnica tiene además la ventaja de eliminar también la caída óhmica en el paso metálico del circuito. En estructuras que tienen varias fuentes de corriente que influyen sobre la lectura del potencial, puede ser difícil interrumpir todas las fuentes o interrumpirlas simultáneamente. Dado que la caída óhmica en cualquier punto dado es la suma de los efectos de la corriente aplicada en todas las fuentes, puede calcularse la caída óhmica total sumando los efectos individuales. Los ciclos de interrupción varían según el tipo de relevamiento de potencial estructura-electrolito que se lleva a cabo. Los factores principales para elegir un ciclo de interrupción incluyen: CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:14 • Minimizar la despolarización durante el día • Minimizar la despolarización durante el tiempo de duración del periodo OFF • Mantener la polarización mientras dura el relevamiento • Poder medir en forma precisa los potenciales OFF una vez disipado el “pico” (spike). Mantener un “ciclado de trabajo” de 80%/20% o 75%/25% es importante para minimizar la despolarización durante el día y mientras dure el relevamiento. El ciclado de trabajo es el porcentaje de tiempo ON y tiempo OFF. Por ejemplo, 3 segundos ON y 1 segundo OFF. Además, es importante apagar los interruptores de corriente durante la noche, para reducir la cantidad de ciclados de las fuentes de corriente y ayudar a reconstruir la polarización que se haya perdido durante el día cuando las fuentes de corriente se encienden y se apagan. Hay varios métodos para mantener la sincronización de los interruptores de corriente. Los interruptores disponibles hoy en día disponen de dispositivos de cristales de cuarzo para fijar el tiempo, los cuales una vez sincronizados, lo mantendrán durante un período de tiempo. Los Satélites de Posicionamiento Global (GPS) del gobierno de los Estados Unidos también suministran un tiempo preciso y están disponibles sin ningún costo para el uso público. Hay disponibles interruptores sincronizados por GPS, que mantendrán un tiempo preciso en forma indefinida, ya que se “resincronizan” a sí mismos a horas predeterminadas del día. Téngase en cuenta que algunos pueden fallar en la posición on si pierden la señal satelital y luego se resincronizan cuando la señal vuelve. Si se dispone de un almacenador de datos permanente monitoreando los datos, esta situación puede pasar inadvertida y en ese caso no se tomarán los verdaderos potenciales de polarización. Un método para verificar la sincronización de la interrupción y para chequear la magnitud y duración del pico inductivo/capacitivo es registrar lo que se denomina una “waveprint” o “forma de onda”. Un waveprint es un gráfico de cientos o miles de potenciales estructura-electrolito registrados a cada segundo durante un ciclo de interrupción. Los datos se grafican en función del tiempo y se los puede llevar al campo para revisar: • • • • Sincronización de los interruptores (Figura 6.10) Despolarización durante el período OFF (Figura 6.7) Magnitud y duración del pico (Figura 6.8) Corrientes vagabundas dinámicas (Figura 6.11) CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:15 Figura 6.10 Waveprint que Muestra Interruptores de Corriente No Sincronizados Figura 6.11 Waveprint que Muestra la Interferencia por una Corriente Vagabunda Dinámica CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:16 Electrodo de Referencia Cercano a la Estructura Para minimizar el error por caída óhmica asociado con el electrolito, el electrodo de referencia debería colocarse lo más cerca posible de la estructura. Esto puede no eliminar toda la caída IR. Al trabajar con tuberías o tanques enterrados, la posición ideal del electrodo sería sobre la superficie de la estructura que esté más cercana a alguna falla del recubrimiento. Sin embargo, en la práctica la posición ideal es sobre el centro de la estructura. A veces, el electrodo se coloca intencionalmente a cierta distancia de la estructura, esto se trata más adelante en “Terreno Remoto”. En tanques de almacenamiento de agua, el electrodo debe colocarse lo más cerca posible de la pared del tanque. Lo mismo para estructuras costeras y offshore; el electrodo debe estar lo más cerca posible de los pilotes. En aguas en movimiento, el electrodo puede moverse, por lo que algunas estructuras están equipadas con cables guía o tubos de plástico perforados para restringir el movimiento de los electrodos portátiles. En los tanques de almacenamiento sobre nivel, las mediciones se recogen frecuentemente en la zona periférica del tanque. Esto puede no suministrar información demasiado precisa acerca del fondo del tanque, especialmente si los ánodos están dispuestos en forma de anillo alrededor del tanque o si el tanque tiene un diámetro muy grande. Lo mejor en este caso es tener electrodos de referencia permanentes colocados bajo el fondo del tanque. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:17 Tanque Sobre Nivel Nivel del Terreno Estación de Medición/Acceso Reference Cell Rim On Off 25' -1411 -698 -902 -664 Center -404 -402 55' Rim Tubo de Monitoreo -601 -1455 -578 -911 Potenciales (mV) Figura 6.12 Celda de Referencia Bajo Tanque de Almacenamiento A Nivel Colocando el electrodo de referencia cerca de la estructura se minimiza el error por caída óhmica en el electrolito, en forma proporcional a la cercanía del electrodo a la superficie. Por desgracia, en estructuras enterradas, esta técnica no es práctica, salvo en puntos de acceso y salida de la estructura. Además, en estructuras recubiertas lo más cerca que puede colocarse el electrodo es sobre un punto que esté inmediatamente por fuera del recubrimiento, y es justamente a través del recubrimiento donde existe gran parte de la caída óhmica (Figura 6.4). Cupones Externos de Protección Catódica La mejor evidencia que la protección catódica está funcionando puede ser obtenida a través de la utilización de cupones del mismo metal de la estructura protegida. Estos cupones son cuidadosamente pesados previamente, y luego conectados eléctricamente a la estructura protegida. Los cupones deben ser ubicados de forma tal de recibir la misma corriente de protección catódica que recibe la estructura; después de transcurrido un tiepo de exposición, los mismos son removidos y pesados. La velocidad de corrosión es la pérdida de peso en el tiempo. Los cupones de PC externos también pueden ser utilizados para monitorear el cumplimiento de los criterios de protección catódica. Esto es particularmente útil en estructuras bien revestida, donde puede haber pocas CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:18 fallas en el recubrimiento. El cupón actúa como si se tratara de una falla equivalente y se polariza al mismo potencial de la estructura (Figura 6.13). 850 + o - o o 9 cm² Coupon Figura 6.13 Cupón Externo de Protección Catódica (CP) Las ventajas de utilizar cupones es que es posible obtener potenciales libres de IR sin tener que interrumpir múltiples fuentes de protección catódica, también potenciales de la estructura en aquellos casos donde la misma tiene anodos galvánicos conectados directamente, y también poder realizar ensayos de despolarización sin tener que desconectar el sistema de protección catódica. Debe ser entendido que puede haber una discrepancia entre el potencial polarizado de la estructura y el medido en el cupón. En el mercado se dispone de estaciones de monitoreo de protección catódica especiales. Están construídas con un cupón de acero conectado a la estructura que está protegida catódicamente haciendo uso de cableado que pasa por la estación. La estación de prueba se posiciona de manera que el cupón quede sumergido cerca de la estructura bajo protección en el mismo tipo de terreno. Para permitir la lectura del potencial del cupon con respecto al electrolito, se puede colocar un electrodo de referencia en el poste de elevación de la estación de monitoreo, en el suelo próximo al cupón o a nivel. El cupón se desconecta en forma momentánea de la estructura y se obtiene el potencial con repecto al electrolito. Esta lectura es esencialmente una lectura libre de caída IR del cupón con respecto al electrodo de referencia. El potencial libre de caída IR del cupón es similar al potencial instant – off de la estructura, si existe un holiday (falla) de tamaño similar sobre la CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:19 estructura en esa ubicación. Si el cupón satisface el criterio de protección catódica, luego puede ser asumido que la estructura también ha alcanzado el criterio. Alguna de estas estaciones de monitoreo también incluyen probetas del tipo de resistencia (probetas ER, por Electrical Resistance), colocadas en la base de la estación. El elemento es conectado a la estructura y por lo tanto tiene un nivel de protección catódica similar. Si la corrosión tuviera lugar en este elemento, la probeta reflejará esta condición mostrando una resistencia que se incrementa con el tiempo. La Figura 6.14 ilustra una estación de medición de las caracteristicas recién descriptas.. Interrupt switch PROBE REFERENCE LEAD COUPON Coupon PIPE Resistance Element Figura 6.14 Estación de Medición para el Monitoreo de la Protección Catódica La Figura 6.15 presenta una estación de medición diseñada para monitorear los niveles de protección catódica alcanzados en tuberías u otras estructuras enterradas. Los cupones también pueden ser utilizados para estructuras sumergidas (tales como tanques de agua, sedimentadores, muelles y estructuras costa afuera), para estructuras de concreto reforzado, o en cualquier otra estructura que recibe protección catódica. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:20 Figura 6.15 Dos Tipos de Estaciones de Medición con Cupones (Cortesía de Cott Manufacturing Company) Se dispone de probetas de resistencia que monitorean la velocidad de corrosión sin necesidad de ser removidas de donde han sido instaladas. A medida que el metal se corroe, el volumen se reduce, lo cual provoca una aumento en la resistencia eléctrica. Estas probetas funcionan sensando el aumento en la resistencia de la probeta (hecha del mismo metal que la estructura) a medida que el metal se corroe. Un instrumento conectado en la estación de medición mide el cambio de resistencia, el que es usado para determinar la velocidad de corrosión. Las probetas también pueden ser utilizadas para mediciones de potencial y del nivel de polarización. Electrodo de Referencia en Terreno Remoto Con el electrodo de referencia remoto con respecto a la estructura, la lectura de potencial incluye el máximo error total por caída óhmica cuando se aplica la corriente. Identificando el valor máximo entre un electrodo de referencia colocado sobre la superficie del tubo y un electrodo de referencia remoto, este valor puede restarse de las subsiguientes lecturas de potencial estructuraelectrolito, siempre que la densidad de corriente y la resistividad del paso permanezcan constantes. En condiciones constantes, esta técnica probablemente resultaría en una sobre-corrección de la lectura de potencial, redundando en una actitud muy conservadora. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:21 El terreno remoto puede determinarse mediante una serie de mediciones de potencial estructura-electrolito, tomadas mientras uno se aleja de la estructura. Por lo general estas mediciones se toman a intervalos constantes y se presentan en forma de gráfico. La Figura 6.16 indica que en los puntos que están más allá de una determinada distancia de la estructura, hay poco aumento en la magnitud del potencial. A los fines prácticos, puede considerarse que más allá de esta distancia se está en terreno remoto, desde el punto de vista eléctrico. + P o t e n c i a l 0 Distancia entre Electrodo y Estructura X V d e l a Terreno Estructura Remoto _ E s t r u c t u r a x Figura 6.16 Determinación del Terreno Remoto desde la Estructura La distancia al terreno remoto no es necesariamente la misma desde cualquier punto de la estructura. Tanto la resistividad del suelo como la densidad de corriente afectan esta distancia. En zonas de suelos de alta resistividad, la distancia al terreno remoto tiende a ser mayor que en suelos de baja resistividad. Reducción de la Corriente Por Etapas (Stepwise) La técnica de reducción de la corriente en etapas (stepwise) consiste en registrar el desplazamiento en el potencial de la estructura con respecto al electrolito y una medición de potencial lateral, a medida que la corriente es reducida. La forma en que el ensayo es realizado se presenta en la Figura 6.17. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:22 Vm Vs,a A Vs,c B C Figura 6.17 Disposición del Ensayo de Campo para el Método de Reducción de la Corriente en Etapas, para determinar la cantidad de caída óhmica IR incluida en el Potencial ON. El potencial ON registrado en el voltímetro (Vm) es igual Vm = Ep + Icp • Re Ec. 6.5 Si la corriente de protección catódica (Icp) fuera reducida, el potencial ON también disminuiría porque la caída de potencial en el terreno (IcpRe) también disminuiría. Si la reducción en la corriente de protección catódica continuara hasta que Icp = 0, luego Vm = Ep y la caída IR también sería cero. Del mismo modo, los voltajes laterales Vs,c y Vs,a deberian tambien tender a cero a medida que Icp tiende a cero. Asumiendo que la caída de potencial en el terreno IcpRe y los voltajes laterales obedecen la Ley de Ohm, luego estos parámetros deberían estar relacionados en forma líneal. Reduciendo la corriente en etapas y midiendo Von, Vs,c, y Vs,a, los datos pueden ser utilizados para construir el grafico de la Figura 6.18. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:23 A extrapolación 3 Von,2 2 Von,1 Vs,2 1 Vs,1 Caída de Potencial lateral (mV) Figura 6.18 Grafico para la Tecnica de Reducción por Etapas de la Corriente Paso c Graficar Vs,a o Vs,c sobre las abcisas para la corriente inicial Paso d Reducir Icp, calcular ΔVs1, y ΔVon,1; graficar ΔVs1 y ΔVon,1 para obtener el punto d Paso e Repita el Paso d y grafique ΔVs2 y ΔVon,2 para obtener el punto e Paso f Trace la mejor línea recta a través de los puntos y extrapole la recta hasta intersectar el eje de ordenadas en A. El punto “A” sobre el eje “y” es igual a la caída IR en la medición de potencial original. El potencial polarizado (Ep) se determina restando la caída IR del potencial on medido en la ubicación B, esto es, Ep = Vm,b – A Ec. 6.5 De las dos mediciones laterales de gradiente de potencial se podrían trazar dos líneas rectas que deberían dar el mismo valor de intersección A, si la distribución de corriente y la resistividad fuera simétrica alrededor de la tubería. Los intervalos de tiempo sobre los cuales se reduce la corriente deberían ser tan cortos como fuera posible, ya que de otro modo el potencial polarizado (Ep) se reducirá en la misma medida que la caída IR en la tierra, lo que CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:24 estaria indicando una caída IR mayor. Si los cambios de potencial son registrados rápidamente, esta técnica puede ser aplicada aún en presencia de corrientes parásitas dinámicas. Esta técnica consume una cantidad de tiempo muy grande y rara vez es utilizada, ya que si es posible reducir la corriente de protección catódica es posible interrumpir la corriente y utilizar la técnica de interrupción de corriente. Desde un punto de vista teórico, este método podría ser utilizado para el caso de una tubería con ánodos galvánicos conectados directamente. En este caso sería una técnica de aumento de la corriente en etapas más que una reducción de la corriente. Sobre tuberías muy bien recubiertas, los voltajes laterales (gradientes de potencial laterales) pueden ser muy pequeños lo que puede hacer incrementar mucho la pendiente de la línea recta, de forma que un pequeño error en la gráfica podria resultar en un error muy grande en la ubicación del punto de intersección con el eje de ordenadas. Por lo tanto, su precisión en el caso de líneas bien recubiertas es cuestionable. Relevamientos de Potenciales sobre la Superficie Los relevamientos de potenciales sobre la superficie son utilizados con diversos propósitos y pueden dividirse en relevamientos de potenciales estructura electrolito, relevamientos para localizar defectos en el recubrimiento y relevamientos de corriente en el terreno. Un potencial estructura a electrolito, es la diferencia de potencial entre la estructura y un electrodo de refencia standard. Cuatro parámetros deben ser incluidos: la magnitud, la polaridad, las unidades y el tipo de electrodo de referencia utilizado. Dado que esta medición es a menudo utilizado para determinar si se satisface algun criterio de protección catódica, la lectura debe estar libre de caída IR (IR-drop free) y se debe tomar una cantidad considerable de lecturas de manera que sea confiable el nivel de protección a lo largo de toda la estructura. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:25 Los potenciales son tomados a intervalos lo suficientemente cortos como para proveer un buen panorama del estado de la protección. Cuando los potenciales pueden variar muy rápidamente a lo largo de una tubería, se debe llevar adelante un relevamiento a intervalos cortos, también llamado relevamiento de potenciales paso a paso (CIS por Close Interval Survey) . Relevamiento de Potenciales a Intervalos Cortos La Figura 6.19 ilustra la disposición para determinar un perfil de potenciales a lo largo de una estructura. Manual Close Interval Survey With Wire Reel -1.00 Falla en Recubrimiento d d d d d d Figura 6.19 Relevamiento de Potenciales a Intervalos Cortos (CIS) En un relevamiento a intervalos cortos (CIS), los potenciales estructura a electrolito son almacenados a un espaciamento muy chico [1 a 5 m (3 a 15 pies)]. Esto se hace portando un voltímetro o un colector de datos, con un dispositivo que provee el cable necesario. Algunos elementos que surten el cable tienen un dispositivo capaz de medir la distancia en el recorrido, de manera tal que el técnico sabe en qué lugar se encuentra cuando ingresa los datos en el colector. Otros simplemente utilizan una cadena o cuerda calibrada y utilizan la información conforme a obra en poder de la compañía dueña del ducto. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:26 Un relevamiento a intervalos cortos puede ser llevado a cabo tanto en tuberías protegidas como no protegidas catódicamente. Se utilizan uno o dos electrodos de referencia, montados en el extremo de un bastón (es). Un alambre de calibre chico, normalmente 30 o 34 AWG, se conecta a la estructura en una estacion de medición, y el operador camina sobre la línea, haciendo contacto con el(los) electrodo (s) y la tierra, a intervalos cortos. El operador registra todos los accesorios o cualquier otro elemento identificatorio a lo largo del trayecto de manera de facilitar luego la ubicación de los datos. Luego, los datos son descargados a una computadora y normalmente presentados en forma gráfica (ver Figura 6.20). Si se utiliza un único electrodo de referencia, el operador envía una señal al colector de datos para salvar las lecturas, una vez que ha hecho un buen contacto con el electrodo de referencia. Cuando las condiciones del suelo son favorables, se puede utilizar un procedimiento denominado “electrodo móvil” en donde al menos un electrodo de referencia está en contacto en todo momento con el suelo y el colector de datos salva las lecturas basadas en una entrada del odómetro a determinada a partir del alambre que pasa a través de él. Potential Profile Figura 6.20 Perfil de Potenciales de una Tubería On-Off Cuando los relevamientos se hacen sobre tuberías multiples que están conectadas entre sí, los datos representan un potencial promedio de todas las tuberías. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:27 Si el criterio de protección catódica buscado es un potencial de - 0.850 VCSE polarizado, se llevará a cabo un relevamiento a intervalos cortos con interrupción de las fuentes de corriente, y se recogen los potenciales tanto ON como los libres de caída IR (instant off). Para hacer una evaluación del criterio de 100 mV de polarización, se recogen potenciales ON/OFF, las fuentes de corriente son desconectadas y, luego de un periodo de tiempo necesario para que la tubería se despolarice, se realiza un segundo relevamiento a intervalos cortos (CIS) recogiendo los potenciales despolarizados sobre las mismas locaciones anteriores. Estos datos pueden ser superpuestos sobre el mismo gráfico con los potenciales ON/OFF y confirmar si el criterio de 100 mV es satisfecho(Figura 6.21). ON OFF Depolarized Figura 6.21 Relevamiento a Intervalos Cortos ON/OFF donde se presenta un Potencial Despolarizado Análisis de Relevamientos de Potenciales Sobre la Superficie Relevamientos sobre Estructuras con Protección Catódica Los datos de potencial tubería a electrolito pueden ser graficados vs. la distancia para facilitar su observación (Figuras 6.22 y 6.23). A menudo, se traza una línea que identifica el nivel del criterio de protección catódica de –0.850 VCSE. Una gráfica que indica el cumplimiento de este criterio presentará todos los valores de potenciales más negativos que –0.850 VCSE (de ser éste el criterio). Si se CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:28 estuviera utilizando el criterio de 100 mV de polarización, los potenciales polarizados deberán ser 100 mV más negativos que el potencial natural (estático o despolarizado) (ver Figura 6.21). O también podría ser graficada la polarización real. En la Figura 6.22 los datos han sido recogidos utilizando un ciclo de interrupción de 12 segundos ON, 3 segundos OFF, sobre una tubería cuya caída IR es de aproximadamente 300 mV. Sobre esta sección de la tubería, los potenciales OFF son todos menos negativos que –0.850 VCSE lo que estaría indicando que no existen niveles de protección catódica adecuados. Los potenciales polarizados en la Figura 6.23 son menos electronegativos que -0.850 VCSE en la segunda mitad del grafico. En la otra parte del gráfico se indican valores de potenciales polarizados muy electronegativos, lo que sugiere que a lo mejor no todas las fuentes de suministro de corriente fueron interrumpidas. Figura 6.22 Relevamiento de Potenciales On/Off Potential (Datos de un Datalogger utilizando un Método de Electrodo Móvil o Caminante (Walking Electrode) En la Figura 6.23 los datos fueron recogidos utilizando un ciclo de interrupción de tres segundos ON y un segundo OFF, pero graficados de forma que las líneas de ON y OFF sean líneas separadas. Lo interesante de esta gráfica es ver cómo los potenciales tubería a electrolito cambian en forma dramática de tener niveles adecuados de protección catódica a niveles donde la caída IR es virtualmente cero para el potencial ON (potenciales ON y OFF son casi los mismos). CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:29 Figura 6.23 Relevamiento de potenciales ON/OFF graficados como dos líneas separadas La Figura 6.24 corresponde a datos recogidas sobre una tubería con ánodos de corriente impresa distribuídos a lo largo de la misma. Nuevamente los datos han sido graficados como dos líneas separadas para los potenciales ON y OFF. Los potenciales ON muy negativos (picos) indican la ubicación de los ánodos distribuídos mientras que es posible ver que los potenciales OFF entre los ánodos son menos negativos que –0.850 VCSE. Figura 6.24 Relevamiento de Potenciales ON/OFF en una Tubería con Anodos Distribuidos de Corriente Impresa CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:30 En la Figura 6.25 los datos son presentados en una escala mayor, para el caso de la figura, 1 pulgada = 0.5 km, de forma tal que en una única pagina del gráfico se pueda observar unos 5 Km.de extensión. Esta “gran imagen” puede facilitar la ubicación de zonas con potenciales que indiquen interferencia de corrientes parásitas, un corto eléctrico o bien niveles de protección catódica inadecuados. Figura 6.25 Relevamiento de Potenciales ON/OFF presentados en una escala mayor Relevamientos Laterales sobre la Superficie Un ensayo complementario que se realiza a menudo durante un relevamiento a intervalos cortos es el conocido como un relevamiento de drenaje lateral (side drain). Al mismo tiempo que se recogen los valores de potenciales sobre la línea, también se recogen los potenciales en forma lateral, esto es, a uno o a ambos lados de la tubería. La separación es de unos 3 metros (10 pies) a 7.5 metros (25 pies) en dirección perpendicular al eje de la tubería. La ventaja de registrar este tipo de información, es que puede ser difícil analizar los datos de potenciales sobre la línea cuando se trata de una tubería no protegida catódicamente. Los sitios anódicos pueden aparecer como anomalías más o menos negativas, pero cuando se analizan los valores de diferencia de potencial lateral, las áreas anódicas serán indefectiblemente aquellas en donde el potencial lateral es menos negativo que el potencial sobre la línea. Algunos ejemplos serán presentados más adelante en este mismo capítulo. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:31 Medición de Corriente La medición de corriente en un circuito de protección catódica es un procedimiento necesario para poder evaluar la eficiencia del sistema. Algunas mediciones de corriente típicas son: • • • • corriente de ánodos galvánicos corrientes de salida de sistemas de corriente impresa corriente que circula en una estructura corriente en un puente de unión Se dispone tanto de métodos directos como de indirectos. Una medición directa sería intercalar un amperímetro en el circuito de protección catódica de la manera que se ilustra en la Figura 6.26. Uso de un Amperímetro para la Medición de Corriente A Vd,cp Rcp Icp Figura 6.26 Medición de Corriente de PC usando un Amperímetro Un amperímetro electrónico se compone de un dispositivo capaz de medir un potencial, que recoge la caída de potencial a través de un shunt interno de baja resistencia. Un amperímetro deberá tener una resistencia baja de entrada comparado con la resistencia total del circuito (o sea Rm << Rcp) de manera de reducir el error en la medición. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:32 Por ejemplo, en la Figura 6.26 con la Ley de Ohm: I cp = Vd,cp R cp Ec. 6-6 pero con el amperímetro insertado en el circuito en serie, la corriente medida en el amperímetro (Im) estará dada por: Im = Vd,cp R cp + R m Ec. 6-7 De donde se deduce, que la corriente medida (Im) será menor que Icp, dependiendo de la resistencia del amperímetro. En muchos multímetros digitales, cuando se selecciona la escala de mA, el circuito correspondiente al amperimetro tiene una resistencia de unos cuantos ohms. Esto puede conducir a errores significativos si el instrumento es utilizado como amperimetro para medir la corriente proveniente de ánodos galvánicos. Aun si la escala de 10 A ó de 20 A fuera la elegida, la resistencia interna, que puede ser tan baja como 0.1 Ω, puede ser todavía demasiado alta como para entregarnos un valor preciso de corriente. Por ejemplo, si el amperimetro es puesto en serie con un cable de retorno negativo sobre un conjunto de retornos paralelos, tal como se muestra en la Figura 6.27, puede resultar en un error todavia considerable. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:33 Figura 6.27 Medicion de Corriente en Conductores de Retorno en Paralelo Si la resistencia del shunt interno del amperimetro fuera 0.01 Ω y y la resistencia del cable de retorno es 0.01 Ω, la inserción del amperímetro ha duplicado la resistencia del cable de retorno, y probablemente reducido también la corriente de retorno (I1) a la mitad. En los ejemplos de la figura anterior un método más preciso sería instalar un shunt de valor adeccuado, el que estará instalado en forma permanente en cada circuito y la medición de corriente se haria como caída de potencial a través del shunt. (ver la Tabla de Shunts en la CP Technician Practical Exam Reference Sheet que forma parte del manual). Utilización de un Shunt Magnitud de la Corriente para Determinar la En el ejemplo de los retornos negativos del ejemplo anterior, se instala un shunt de las mismas características, o lo que es lo mismo de la misma resistencia, los que serán instalados en serie con cada cable negativo de retorno, tal como se ilustra en la Figura 6.28. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:34 V equally rated shunts I1 I2 I3 I4 IT Figura 6.28 Uso de Shunts para Mediciones de Corriente en Conductores Paralelos Cuando se selecciona un shunt, la corriente que circula deberá ser conocida, y la caída en milivolts a ese valor de corriente fácilmente detectable por un multímetro digital standard. Por ejemplo, si un shunt cuyas caracteristicas son 5 A, 50 mV se coloca en serie con un ánodo galvánico que tiene una salida de unos 5 mA, la caída de potencial a través del shunt será: Ec. 6-8 Vshunt = Icp × Rshunt = 5 mA × = 5 mA × Vshunt = Vrating I rating .050 V 5A 0.05 mV Esta caída de potencial en el shunt está por debajo de la resolución de la mayoria de los voltímetros digitales utilizados en la práctica. Para una corriente de 5 mA, un shunt con una resistencia de cómo mínimo 1 Ω será más apropiado. (Ver la Tabla de Shunts en la Hoja de Referencia, provista al final de este manual). Amperímetro de Resistencia Cero Algunas veces las corrientes son tan pequeñas (por ejemplo < 0.1 mA) que no es posible medirla intercalando shunts de muy alta resistencia, los cuales CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:35 a su vez alterarían la magnitud de la corriente. Un ejemplo es la medida de la corriente capturada por un cupón como se muestra en la Figura 6.29. Icp tubo de suelo cupón de acero Icp Figura 6.29 Medición de la Corriente Utilizando un Amperímetro de Resistencia Cero (ZRA por sus siglas en inglés) Si el cupón tiene un área de 10 cm2 y la densidad de corriente fuera de sólo 10 μA/cm2 la corriente captada por el cupón (Icp) será: Icpn = 10 μA/cm2 × 10 cm2 Icpn = 100 μA ó 0.1 mA La medición de ese nivel de corriente con un amperímetro introduciría una resistencia muy grande en el circuito, de la misma forma que si se utilizara un shunt de por ejemplo 100 Ω para poder medir en el rango de 10 mV. En estos casos, se recomendaría utilizar un amperímetro de resistencia cero. Pinza Amperométrica (Amperímetro de Gancho) Un método de medir la corriente en un conductor es utilizar un amperimetro de gancho o pinza amperómetrica con la disposición de la Figura 6.30. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:36 magnetic field Idc Figura 6.30 Uso de una Pinza Amperométrica para Medir Corriente La pinza amperométrica contiene un dispositivo basado en el “Efecto Hall” el que produce una tensión de salida proporcional a la intensidad del campo magnético, el que a su vez es proporcional a la magnitud de la corriente que circula por el conductor. El Efecto Hall se ilustra en la Figura 6.31 para una corriente que circula por el conductor (Im). Cuando las cargas eléctricas se mueven en forma perpendicular al campo magnético (B), se ejerce una fuerza lateral sobre las cargas, provocando la aparición de una diferencia de potencial a ambos lados de la placa de cobre. B B B Im copper plate Im mV Figura 6.31 Esquema del Efecto Hall para una Corriente Convencional La magnitud de este voltaje es proporcional al campo magnético (B), el que a su vez depende de la magnitud de la corriente (Idc) que circula por el conductor. La precisión de las pinzas amperométricas disminuye para valores de corriente de unos pocos mA. Cuando hay varios conductores que conducen corriente, la precisión también se reduce si hay interferencia magnética producida por los conductores adyacentes. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:37 Medición de Corriente en Tuberías Aplicaciones Las mediciones de corriente en tuberías son utilizadas para detectar corrientes parásitas o cortos eléctricos, y también establecer la distribución de corriente de sistemas de protección catódica provisorios o permanentes. La corriente puede ser medida utilizando pinzas amperométricas o utilizando un tramo de tubería de resistencia conocida como si se tratara de un shunt. Uso de una Pinza Amperométrica La Figura 6.32 ilustra el uso de una pinza en una tubería. corriente en el terreno pinza pinza +0.9 A +0.4 A instrumento La corriente en la tierra que abandona la tubería es 0.9 – 0.4 = 0.5 A. Figura 6.32 Medición de Corriente en una Tubería usando un Loop Sensor, y un Medidor del tipo Swain Source: Swain, W.H., Clamp-On Ammeters Can Watch Cathodic Protection Current Flow, Pipe Line & Gas Industry, March 1998, p.38 Ensayo de 2 Conductores para Medir la Corriente en la Línea El flujo de corriente en una tubería se mide mediante una estación de medición calibrada o de caída óhmica como la que muestra la Figura 6.33 o usando estaciones de medición y elementos a nivel como estación de medición de caída óhmica temporaria. En un ensayo de caída óhmica, el tubo actúa como shunt de baja resistencia y, si está bien calibrado, puede usarse un voltímetro para medir la caída de potencial entre los dos cables o puntos de conexión y el tubo, y calcular, usando la Ley de Ohm, la corriente que circula por la tubería de acero. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:38 Cuando es conocido el diámetro y la longitud de un tramo de tubería, o bien el espesor de pared y el peso por unidad de longitud, es posible utilizar una estación de medición de 2 conductores. El flujo de corriente en la sección de tubería puede calcularse midiendo la caída de potencial a través de esta sección, determinando la resistencia de la sección a partir de una tabla, y usando la Ley de Ohm como se haría con un shunt. La Figura 6.33 muestra la configuración de este ensayo. La Tabla 6.1 muestra algunos valores de resistencia para tamaños comunes de tubos. El tamaño de la tubería o el peso por unidad de longitud deben ser conocidos 0.17 Cables identificados por color + mV N _ Pipeline Tubería Pipe Spande in Feet Extensión la Tubería Figura 6.33 Ensayo de Corriente de 2 Conductores Dado que la caída de potencial en una sección de tubo es relativamente pequeña, con los instrumentos antiguos era necesario corregir la caída de potencial en los cables de ensayo causada por la corriente que circulaba por el medidor. Sin embargo, con los medidores de alta resistencia de entrada disponibles hoy en día, esta corrección no es necesaria. Por ejemplo, si la caída de potencial a través de una sección de tubo de 30 pulgadas (76.2 cm) y 200 pies (61 metros) que pesa 118.7 libras/pie (176.65 kg/m) es de 0.17 mV, el flujo de corriente se calcula de la siguiente forma: Resistencia de tubo/pie a partir de la Tabla 4.3 = 2.44 μΩ /pie = 0.00000244 Ω/pie (0.00000801 Ω/m) Resistencia total = 200 pies x 0.00000244 Ω/pie = 0.000488 Ω Caída de potencial medida = 0.17 mV 0.00017 V E Corriente (I) = = 0.348 A = R 0.000488 Ω CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:39 Nos referimos nuevamente a la Figura 6.33. Nótese que el instrumento muestra una lectura positiva. Esto significa que la corriente ingresa al instrumento por el terminal positivo. El terminal positivo está conectado al extremo oeste del tramo. Como el instrumento está en paralelo con el tramo, la corriente circula por el tubo de oeste a este. La precisión de este método depende en gran medida de conocer con exactitud las dimensiones del tubo. Si hubiere una junta de tamaño diverso dentro del tramo, o algún elemento como por ejemplo una válvula, la resistencia calculada no será correcta. Esta dificultad se resuelve con el método de 4 conductores. Tabla 6.1 Tabla de Resistencias de Tuberías Resistencia de Tuberías de Acero *(A)(B) Diám. Tubo Diámetro Exterior Espesor de pared Peso in. in. in. lb/ft cm cm Resistencia μΩ/ft kg/m μΩ/m 2 2.35 5.97 0.154 0.39 3.65 5.43 76.2 256.84 4 4.5 11.43 0.237 0.60 10.8 16.07 26.8 87.93 6 6.62 16.81 0.280 0.71 16.0 28.28 15.2 46.87 8 8.62 21.89 0.322 0.82 28.6 42.56 10.1 33.14 10 10.75 27.31 0.365 0.93 40.5 60.27 7.13 23.39 12 12.75 32.38 0.375 0.95 46.6 73.81 5.82 16.09 14 14.00 35.56 0.375 0.95 54.6 81.26 5.29 17.36 16 16.00 40.64 0.375 0.95 62.6 93.16 4.61 15.12 18 18.00 45.72 0.375 0.95 70.6 105.07 4.09 13.42 20 20.00 50.80 0.375 0.95 78.6 116.97 3.68 12.07 22 22.00 55.88 0.375 0.95 86.6 128.88 3.34 10.96 24 24.00 60.96 0.375 0.95 94.6 140.78 3.06 10.04 26 26.00 66.04 0.375 0.95 102.6 152.69 2.82 9.25 28 28.00 71.12 0.375 0.95 110.6 164.59 2.62 8.60 30 30.00 76.20 0.375 0.95 118.7 176.65 2.44 8.01 32 32.00 81.28 0.375 0.95 126.6 188.41 2.28 7.48 34 34.00 86.36 0.375 0.95 134.6 200.31 2.15 7.05 36 36.00 91.44 0.375 0.95 142.6 212.22 2.03 6.66 *Conversiones:1 in. = 2.54 cm 1 ft = 0.3048 m Basado en la densidad del acero de 489 lbs/ft3 (7832 kg/m3) y una resistividad del acero 18 µΩ-cm. R = 16.061 x resistivdad en µΩ-cm = Resistencia de 1 ft del Peso por pie de tubo, µΩ) CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:40 Ensayo de 4 Conductores para Medir la Corriente en la Línea Se puede medir la corriente utilizando un método de 4 conductores tal como se ilustra en la Figura 6.34. Para mediciones precisas, el tramo es calibrado inyectando una corriente continua denominada de ensayo utilizando los conductores externos c y f y midiendo la caída de voltaje asociada a esa corriente de ensayo en los terminales d y e. It 1 2 3 4 Rp Figura 6.34 Calibración de un Tramo de Tubería para la Medición de Corriente La resistencia de la tubería entre los conductores d y e se calcula a partir de la Ley de Ohm: Rp = ΔV2-3 ΔI t Ec. 6-9 El resultado puede ser anticipado previo al ensayo, con los elementos de la Tabla 6.1. Es muy importante prestar atención a la polaridad, porque antes de comenzar el ensayo, puede haber una corriente residual, y la corriente de ensayo puede eventualmente causar una inversión en la polaridad. Por ejemplo, V2-3 V2-3 It =+21 mV (antes de aplicar la corriente de ensayo) =–19 mV (después de aplicar la corriente de ensayo) = 10 A CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:41 La resistencia del tramo de la tubería (Rp) bajo ensayo es: Rp = Rp = + 21 mV − (-19 mV) 10 A + 40 mV = 4mΩ 10 A El Factor de calibración se calcula de la siguiente forma: K = I test / ΔE test donde: K Itest ΔEtest Ec. 6-10 = factor de calibración de la sección de tubo (A/mV) = corriente de ensayo aplicada al tramo (A) = E con la corriente aplicada – E sin corriente aplicada (mV) Entonces el factor de calibración de la corriente es: 10 A = 0.25 A/mV 40 mV y la magnitud de la corriente residual es: I residual = 21 mV × 0.25 A mV = 5.25 A con una dirección de 2 a 3. Normalmente, si la temperatura de operación de la línea es estable, no habrá necesidad más que de calibrar el tramo una única vez. En tuberías donde hay variaciones de temperatura, será necesario calibrar el tramo en forma periódica, debido a los cambios en la resistencia que los cambios de temperatura afectan. Once the calibration factor is known, the normal current magnitude can be calculated. First, measure the voltage drop in mV across the measuring span (without the battery current) using the inside test wires. This voltage drop is due to normal pipeline current. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:42 La corriente es calculada multiplicando el factor de calibración por la caída de potencial medida: I = K x EmV Ec. 6-11 donde: I K EmV = corriente en la tubería (A) = factor de calibración de la tubería (A/mV) = caída de potencial en el tramo de tubería (mV) La polaridad de la caída de potencial determina la dirección de la corriente. Si la caída de potencial es positiva, luego la dirección de la corriente es desde el polo positivo hacia el negativo. Si la lectura es negativa, luego la dirección de la corriente es desde el polo negativo al terminal positivo. La mayoria de los instrumentos digitales no tendrán precisión para lecturas por debajo de 0.1 mV. Si se anticipan lecturas por debajo de 0.1 mV, o bien si una lectura de cero se obtiene durante el ensayo, se debe utilizar un instrumento de mayor sensibilidad. Mediciones de corriente en el terreno (Ver también Capítulo 7) Una serie de potenciales medidos entre dos electrodos de referencia pueden indicar flujo de corriente y su dirección en el terreno, como muestra la Figura 6.35. A veces se usa este tipo de mediciones para determinar si la corriente circula hacia o desde una estructura. Si la lectura del voltímetro es positiva, la dirección del flujo de corriente es desde el electrodo positivo hacia el electrodo negativo. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:43 + Reading Electrodo Referencia + _ Voltímetro Lectura + con Electrodo Referencia Current Flow Figura 6.35. Medición de Potencial entre Dos Electrodos de Referencia Estructuras Sin Protección Catódica En líneas sin protección catódica, pueden encontrarse zonas que se están corroyendo, o “hot spots”, con potenciales más negativos. Esto es lo contrario de lo que ocurre en una estructura con protección catódica y muchas veces confunde. En estos casos es también conveniente realizar un relevamiento de potenciales tubo-suelo laterales o hacia un lado de la tubería. Muchas veces esta distancia es de quince a veinticinco pies hacia uno o los dos lados del tubo. Estos relevamientos se llevan a cabo en tuberías desnudas sin protección y en tubos cilíndricos de hormigón pretensado (PCCP). La Figura 6.36 muestra un ejemplo de interferencia por corrientes vagabundas detectada en un relevamiento de potenciales tubo-suelo sobre la línea y laterales. En este ejemplo se identificó una zona de descarga de corriente. La interferencia por corrientes vagabundas se detecta cuando el potencial sobre la línea se hace positivo en relación con otros potenciales cercanos, y el potencial lateral es más positivo que los potenciales sobre la línea. Esta zona debe analizarse para determinar si debe aplicarse alguna acción correctiva, como protección catódica o puentes de mitigación (bonds) El control de corrientes vagabundas se analiza en el Capítulo 7. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:44 -900 Pipe-to-Soil Potential (mV) Current Discharge 25’ Off Pipe -800 Anodic Area -700 -600 Over Pipe -500 -400 Current Pick-Up Cathodic Area -300 Current Pick-Up -200 Cathodic Area -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Distance (Feet) Figura 6.36 Perfil de Potenciales de Tubería Expuesta a una Interferencia por Protección Catódica La Figura 6.37 muestra el tipo de datos que se ven cuando hay corrosión galvánica afectando a un tubo sin protección catódica. Las zonas anódicas son las locaciones en que los potenciales sobre la línea son más negativos que otros potenciales cercanos y los potenciales laterales son menos negativos que los potenciales sobre la línea. Las zonas en que los potenciales laterales son más negativos que los potenciales sobre la línea, son las zonas catódicas del tubo. La ubicación exacta de cada locación anódica puede determinarse repitiendo el relevamiento en esa zona mientras se disminuye progresivamente el espaciamiento entre electrodos. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 1000 Ensayos de Campo 6:45 -800 Anodic Anodic Cathodic Cathodic Anodic -600 25’ Off Pipe -500 -400 Over Pipe -300 Current Discharge -100 0 100 Current Pick-Up 200 300 Current Pick-Up -200 Current Discharge Pipe-to-Soil Potential (mV) -700 400 Current Discharge 500 600 Distance (Feet) Figura 6.37 Perfil de Potencial de una Tubería Sujeta a Corrosión GalvánicaLa La Figura 6.38 muestra un relevamiento paso a paso llevado a cabo sobre y lateralmente a un tubo donde existe una unión bi-metálica. El potencial sobre la línea se hace menos negativo con respecto a otros potenciales cercanos y los potenciales laterales son menos negativos que los potenciales sobre la línea. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:46 Figura 6.38 Perfil de Potenciales que muestran un Efecto Bimetálico Técnicas de Evaluación del Recubrimiento en Tuberías Enterradas En esta sección analizaremos las distintas técnicas que se usan para evaluar la condición de los recubrimientos de tuberías una vez enterradas. Estas técnicas son: • Relevamiento del tipo Pearson • Relevamiento de Gradientes de Potencial de Corriente Continua (DCVG) • Mapeador de Corriente en la Tubería (PCM) • Resistencia del Recubrimiento Relevamiento Pearson Un Relevamiento Pearson es un método que se usa para detectar fallas (holidays) en el recubrimiento de una tubería una vez que ésta ha sido enterrada. En este método se imprime una señal de audio frecuencia en el tubo mediante un transmisor. Dos personas, cada una con clavos de puesta a tierra en los zapatos, caminan directamente sobre la línea; están conectadas entre sí y una de ellas lleva un receptor de radio. Cuando ésta CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:47 se aproxima al holiday, la señal de radio se hace más fuerte en el receptor. A medida que las dos personas continúan caminando, la señal se hará “nula” y cuando la segunda persona se aproxima al holiday, la señal volverá a hacer un pico. El punto “nulo” es donde está ubicado el holiday. La Figura 6.39 muestra un esquema de este método. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:48 Figura 6.39 Ilustración del Método de Pearson para Detectar Fallas en el Recubrimiento CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:49 Relevamiento de Gradiente de Voltaje de Corriente Continua (Direct Current Voltage Gradient - DCVG) El DCVG es un método para detectar el ingreso de corriente de protección catódica en las fallas (holidays) del recubrimiento. El sistema incluye un voltímetro analógico con correas, cables de conexión y dos bastones con electrodos rellenos de agua. Esta técnica se usa instalando un interruptor de corriente en algún rectificador existente o usando un sistema de PC temporario. El interruptor se instala en serie en cualquier rama de la salida de corriente continua del rectificador, o en el circuito de corriente alterna. Se configura el interruptor con ciclos muy rápidos y un período ON más corto que el período OFF, por ejemplo 1/3 segundo ON y 2/3 segundo OFF. Este ciclo corto permite una medición de deflexión rápida con el voltímetro analógico (Figura 6.40). Figura 4.42 Relevamiento DCVG El voltímetro analógico (Figura 6.41) es muy sensible y es posible ajustar la impedancia de entrada y la escala de lectura. Las deflexiones de menos de 1 mV se notan fácilmente con este tipo de voltímetros. Además, la aguja puede moverse tanto en dirección positiva como negativa a partir del punto cero, lo que permite determinar la dirección del flujo de corriente en el suelo. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:50 Figura 6.41 Voltímetro Analógico Este relevamiento consiste en medir potenciales ON y OFF en todos los puntos de medición que se encuentren, válvulas y tubos de elevación, para determinar la magnitud de la señal (es decir, la diferencia entre lecturas ON y OFF). La diferencia numérica entre potenciales es la magnitud de la señal. Aquí abajo damos un ejemplo. Potencial ON = Potencial OFF = Magnitud de la Señal = = –1.45V –0.95V 1.45 – 0.95V 0.5V o 500 mV Mientras se camina sobre la tubería, se usan las estacas como si fueran bastones, asegurándose de que la punta de uno de los electrodos esté siempre en contacto con el suelo. Se mantiene una de las estacas cerca del centro de la tubería, mientras el otro bastón se mantiene desplazado lateralmente a 1-2 metros. Si no hay una falla en el recubrimiento, la aguja del voltímetro no registrará ningún movimiento. Al acercarse a una falla, puede observarse una oscilación en el voltímetro a la misma velocidad que el ciclo del interruptor. La amplitud de la oscilación aumentará al acercarse al defecto, y disminuirá una vez pasado éste. La magnitud de la señal estimada puede ilustrarse usando los datos de la Figura 6.42 donde: CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:51 Magnitud de la señal en TS A Magnitud de la señal en TS B Distancia del defecto a TS A Distancia del defecto a TS B = 200 mV = 300 mV = 1500 yardas (1372 m) = 500 yardas (457 m) TS B TS A TS C Figura 6.42 Intensidades de la Señal Magnitud de la señal estimada en la falla: ⎡⎛ d A S D = S A + ⎢⎜⎜ ⎣⎝ d A + d B ⎤ ⎞ ⎟⎟(S B − S A )⎥ ⎠ ⎦ Ec. 6-12 donde: SD = intensidad de la señal en el defecto (mV) SA = intensidad de la señal en el Punto A (mV) SB = intensidad de la señal en el Punto B (mV) dA = distancia desde A dB = distancia desde B 1500 yds (1372 m) (300 mV − 200 mV ) 1500 yds (1372 m) + 500 yds(457 m) 275 mV SD= 200 mV + = Para calcular la magnitud de la señal en locaciones intermedias, se asume un efecto de atenuación lineal. Para centrar los defectos se marca la locación aproximada de la falla en la zona de máxima amplitud. En dos locaciones separadas (A & B en la Figura CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:52 6.43), a aproximadamente 4 metros de la línea, se colocan los bastones a lo largo del gradiente de potencial para obtener una lectura nula (cero) en el instrumento. Una línea perpendicular al punto medio de la distancia entre los dos bastones, pasará asimismo por el epicentro del defecto. Este procedimiento geométrico se repite en lados opuestos de la tubería para ubicar el punto exacto sobre la falla. La Figura 6.44 muestra el procedimiento. Una vez detectado el epicentro del defecto en el recubrimiento, se toma una serie de mediciones laterales moviéndose en dirección al terreno remoto. Las mediciones laterales cerca de la falla darán diferencias de potencial máximas donde los gradientes son máximos. Las mediciones en el terreno remoto indicarán deflexiones de cero a 1 mV. La sumatoria de estas lecturas se llama comúnmente voltaje sobre la línea con respecto al terreno remoto. La expresión “porcentaje de IR” se ha adoptado para indicar el tamaño de la falla. Por ejemplo, si una serie de lecturas laterales al terreno remoto en milivoltios son: 25, 15, 6, 4, 3, 1, 1, 0, entonces puede calcularse el porcentaje de IR de la siguiente manera: Voltajes sobre la línea al terreno remoto = = 25+15+6+4+3+1+1mV 55mv Voltaje sobre la línea al terreno remoto ∗100% Intensidad de la señal en el defecto 55 mV = ∗100 = 20% 275 mV Porcentaje IxR = CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ec.6-13 Ensayos de Campo 6:53 Figura 6.43 Gradientes de Potencial Teóricamente, este porcentaje de IxR se usa para predecir la reducción en los niveles de protección ignorando el efecto de la polarización. Por lo tanto, conociendo el potencial ON de la tubería se puede multiplicar el porcentaje de IR por el potencial conocido para obtener el potencial estructura-suelo teórico de la zona de la falla. Mapeo de Corriente en la Tubería El mapeo de corriente en la tubería es un método para evaluar y mapear el ingreso de corriente de protección catódica. Se desarrolló a fin de medir en forma precisa y no intrusiva una corriente cuasi continua impresa temporariamente a la estructura y luego distribuida a lo largo de la tubería. El mapeo de corriente consiste en un sistema de dos componentes: un transmisor portátil que aplica una señal especial cuasi-continua a la tubería y un receptor que localiza y muestra la magnitud y dirección de la corriente de aquella señal cuasi-continua. Si existen fallas del recubrimiento, o si hay un contacto eléctrico entre la tubería y otra estructura metálica, resultará en un ingreso de corriente cuasi-continua. Esto se muestra en la Figura 6.44. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:54 700 mA 20 mA Tx Figura 6.44 Ingreso de Corriente Cálculos de Resistencia del Recubrimiento Las mediciones de resistencia del recubrimiento constituyen un medio para establecer la capacidad del recubrimiento de suministrar una barrera dieléctrica entre la estructura y el medio. Cuanto mejor es la barrera que suministra el recubrimiento, tanto mayor será su resistencia. La resistencia del recubrimiento es simplemente la resistencia de la estructura al medio multiplicada por la superficie de la estructura. Por lo tanto las unidades son ohms-pie cuadrado. Las mediciones de resistencia del recubrimiento tomadas en diferentes momentos pueden revelar el rendimiento del recubrimiento a largo plazo y si ha ocurrido algo que lo ha dañado (v.g., cortocircuitos, daños durante la construcción y tensión anormal del suelo). Los datos se obtienen a partir de secciones de tubería de tres a cinco millas de longitud. Las lecturas de potencial tubo-suelo (con la corriente ON y OFF) y las mediciones de corriente se obtienen utilizando un interruptor que actúa sobre el rectificador. Se calcula la resistencia de la sección de tubo y luego se calcula la resistencia del recubrimiento multiplicando por la superficie. Por ejemplo (véase Figura 6.45): CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:55 Ánodos Provisorios o Sistemas de PC existente Fuente Energía _ I1 + V _ I2 V + Electrodo Referencia Pipeline Tubería Corriente Test Current de ensayo Tramo Ensayo K I Interrupter Interruptor Figura 6.45 Configuración para la Medición de la Resistencia del Recubrimiento A partir de los siguientes datos de campo: Tamaño del tubo: 24 pulgadas de diámetro Longitud del Tramo de Ensayo: 1 milla = 5,280 pies (1609 m) EONTS1 = EOFFTS1 = ΔETS1 = –2.00 V –0.90 V 2 V – 0.9 V = 1.10 V IONTS1 = IOFFTS1 = ΔITS1= 3.00 A 0.20 A 3.0 A – 0.20 A = 2.80 A EONTS2 = EOFFTS2 = ΔETS2 = –1.70 V –0.85 V 1.7 V – 0.85 V= 0.85 V CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:56 IONTS2 = 2.80 A IOFFTS2 = 0.10 A ΔITS2 = 2.80 A – 0.10 A = 2.70 A Superficie Total del Tubo = d x π x L = 24 in x π x 5280 ft = 33,158 ft 2 12 in / ft En unidades métricas = 0.61 m x π x 1609 m = 3080 m2 ΔETS 1 + ΔETS 2 2 1.10 V + .85 V = = 0.975 volt 2 ΔE ave = ΔE ave Ec. 6-15 Ahora que se conoce el cambio promedio de potencial causado por la corriente, hay que calcular la corriente que afecta sólo a ese tramo de la tubería. Para esto, se resta la corriente que “entra” a la sección medida, de la corriente que sale de esta misma sección. Esto da el valor de la corriente recogida por el tubo en esta sección medida. IC = corriente en la sección de tubo analizada = ΔI TS1 − ΔI TS 2 = 2.80 A − 2.70 A = 0.10 A Resistencia tubo-tierra = R P / S = ΔE ave 0.975 V = = 9.75 ohm IC 0 .1 A Resistencia efectiva del Recubrimiento = rCE = Apipe x Rp/s Ec. 6-16 Ec. 6-17 Ec. 6-18 = 33,158 ft2 x 9.75 Ω = 323,291 Ω-ft2 en unidades métricas r = 3080 m2 x 9.75 Ω r = 30030 Ω−m2 Se asume que el cambio del potencial de la estructura como resultado de la corriente, es lineal, y que el cambio de potencial promedio de la estructura en la sección medida es el promedio entre los cambios de potencial de los CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:57 puntos de ensayo inicial y final. Se puede obtener un valor más representativo promediando varios cambios de potencial de la estructura medidos en varios puntos a lo largo de la sección del ensayo. Al hablar de resistencia del recubrimiento, muchas veces se habla en términos de “conductancia del recubrimiento”. La conductancia (G) es el valor recíproco de la resistencia (R) y las unidades que se usan son generalmente Siemens (S) o microSiemens (μS). G = 1/R La conductancia se define normalmente para una unidad de superficie y es denominada conductancia específica (g), la que a su vez es la recíproca de la resistencia específica ( r ) . La ecuación 6.19 sería entonces Métricas gC = 1 1 = rC 323,294 Imperiales gC = μS S 1 1 = = 0.00000309 2 = 3.09 2 2 rC 323,294Ω − ft ft ft donde: gC = conductancia específica del recubrimiento (S/pie2) rC = resistencia específica del recubrimiento (Ω - pie2) = 0.00000309 S iS = 3.09 2 2 ft ft Ec. 6-19 La conductancia total será GC = 1 1 = = 0.102 S RC 9.75 Ω Para mayor información ver NACE Standard TM0102, “Measurement of Protective Coating Electrical Conductance on Underground Pipelines.” (Medición de la Conductancia Eléctrica de un Recubrimiento Protector en Tuberías Enterradas). Ensayos de Requerimiento de Corriente Cuando una estructura está ya instalada en su configuración final, por lo general es posible llevar a cabo ensayos de requerimiento de corriente. Estos ensayos tienen la ventaja de que suministran datos reales acerca de CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:58 la estructura y no es necesario realizar suposiciones en cuanto a la efectividad del recubrimiento y otros factores. Las estructuras diseñadas para la aplicación de protección catódica pueden ser ensayadas como un todo o bien divididas en secciones. Generalmente las mediciones de requerimiento de corriente requieren la instalación de un sistema de ánodos ya sea permanente o bien temporario para el ensayo. El objetivo es introducir corriente en la tierra en el punto en que se ubicará el sistema de protección catódica (lecho dispersor) permanente. Para estructuras grandes, puede elegirse una superficie representativa para la fase inicial de la medición. A continuación se conecta una fuente apropiada (baterías, rectificador o un motogenerador) entre la estructura y el dispersor de ensayo, como se ve en la Figura 6.46. Se aplica la corriente entre el dispersor y la estructura y se miden los efectos sobre la estructura. Fuente de Energía Variable Electrodo Referencia - A V + - + Lecho de Ánodos Electrolyte Electrolito Structure Estructura Figura 6.46 Circuito de Medición de un Ensayo de Requerimiento de Corriente Con este circuito, pueden imprimirse cantidades controladas de corriente a la estructura desde el ánodo. El potencial medido incluye los siguientes componentes: El potencial electroquímico entre la estructura y el electrodo de referencia Una “caída IxR” producida entre la estructura y el punto del electrolito donde se ubica el electrodo de referencia CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:59 Ecuación para el cálculo: Ireq = ΔEpreq*Itest ΔEptest Ec. 6-20 donde: = Requerimiento de Corriente Estimado (A) Ireq ΔEpreq = Polarization requerida (V) = [0.850 V – Enatural] para el criterio de potencial polarizado de -850 mVCSE ó [100 mV] para el criterio de 100 mV de polarización. ΔEptest = Polarización obtenida en el ensayo (V) [EOFF –Enatural] Las fórmulas usadas para este cálculo son: Valor de resistencia que produce la caída IxR R = (EON - EOFF)/ION Ec. 6-21 Puede calcularse la caída IxR para diversos niveles intermedios de corriente, usando un valor promedio de R: Caída IR = Iaplicada.R A continuación se da un ejemplo de cálculo de requerimiento de corriente: 1. 2. 3. 4. Potencial natural (estático) tubo-suelo = -0.645 voltios vs. Cu-CuSO4 Potencial polarizado tubo-suelo deseado =-0.85 voltios vs. Cu-Cu SO4 Corriente de ensayo = 50 miliamps Potencial polarizado alcanzado con la corriente de ensayo = - 0.775 VCSE Utilizando la Ecuacion 6-20: I req = [0.850 V - 0.645 V]0.050 A (0.775−0.645) =0.0788 A ó 78.8mA CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:60 Aislación Eléctrica Identificación de problemas La aislación eléctrica es importante para que un sistema de protección catódica funcione, excepto cuando el sistema a proteger no puede aislarse eléctricamente y el sistema de PC se diseña teniendo esto en cuenta. En un sistema aislado, si el sistema de PC no puede mantener un nivel satisfactorio de protección catódica, la falla puede deberse a un contaco eléctrico con otra estructura metálica, incluyendo otras tuberías, puestas a tierra en sistemas de transmisión, puestas a tierra en subestaciones, etc. Localizar el Problema Hay mucho métodos para localizar un dispositivo de aislación eléctrica y/o ensayarlo para determinar si está funcionando correctamente: Localizadores de tuberías/cables Intrumentos para realizar ensayos de aislación Potencial estructura-electrolito Potencial ON-OFF estructura-electrolito Medición de corriente DC en la línea Celda en una posición fija y contacto móvil Ensayo de respuesta a inyección de corriente Medición de la resistencia de la aislación. Cada técnica tiene ventajas y desventajas; entre ellas, hay que determinar si un ensayo determinado puede usarse para las circunstancias del sistema y si el ensayo es conclusivo dadas estas circunstancias. Uso de un Localizador de Tuberías/Cables Se puede usar un localizador de tuberías o cables para localizar la tubería y cortocircuitos eléctricos o discontinuidades en una estructura. Se inyecta la señal AC en la estructura usando un localizador conductivo o inductivo. La señal permanecerá restringida a la estructura, salvo que haya un contacto eléctrico con otra estructura. Si no se detecta la señal AC en la estructura ajena o en la porción de estructura que se supone aislada, quiere decir que las dos están eléctricamente aisladas. Si la señal continúa más allá del dispositivo aislante, entonces éste no está funcionando y las dos estructuras metálicas son continuas desde el punto de vista eléctrico. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:61 La mayor parte de los localizadores incluyen un transmisor y un receptor. El transmisor es una fuente de corriente alterna en radiofrecuencia que se usa para inyectar la señal en la estructura. El receptor recoge esta señal en la estructura y la devuelve en forma de sonido amplificado y/o señal visual. El sonido de la señal, como así también la frecuencia y la velocidad de pulsaciones, puede controlarse desde el transmisor. Existen dos tipos de localizadores de tuberías – por conducción y por inducción. Algunos poseen los dos tipos en un solo equipo: El localizador por conducción es el que tiene aplicación para localizar corto circuitos. Localizadores por Conducción El localizador por conducción usa una señal de AC de audio frecuencia y se conecta eléctricamente a la estructura que se está investigando mediante una conexión directa. El transmisor convierte la corriente continua de las baterías en AC mediante un circuito de vibración. Esta AC puede entonces pasar a través de un transformador para producir una salida de varios cientos de voltios pico. Esta señal AC se conecta entre la tierra y la estructura a localizar. Cuando el receptor está cerca de la estructura, el campo AC alrededor de la misma induce un voltaje en la bobina del mismo. Este voltaje es amplificado y produce una señal audible para el usuario. La Figura 6.47 ilustra el principio de un localizador del tipo por conducción. Transmisor Receptor Pipe Figura 6.47 Principio de un Localizador de Tubos por Conducción Localizadores por Inducción Un localizador por inducción usa una señal de AC de radiofrecuencia, que se induce en la estructura a localizar mediante una bobina de inducción que forma parte del transmisor. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:62 Los localizadores por inducción permiten localizar estructuras metálicas enterradas en los casos en que no es posible conectarse directamente a la estructura, como en el caso de los localizadores por conducción. Esto se logra mediante una bobina en el transmisor que establece un fuerte campo magnético, el cual a su vez induce una corriente AC en la estructura. El campo AC que rodea la estructura puede detectarse entonces de manera similar a la descripta para el localizador por conducción. La Figura 6.48 muestra el principio de un localizador por inducción. Las señales pueden inducirse a ambos lados de una aislación dando una falsa indicación de un corto circuito. Transmisor Receptor Pipe Figura 6.48 Principio de un Localizador de Tubos por Inducción Ensayando las Uniones Aislantes Sobre Nivel Un “verificador de aislación” es un instrumento específicamente diseñado para chequear dispositivos aislantes tanto sobre nivel como enterrados (Véase Figura 6.49). Para dispositivos a nivel, las puntas del verificador de aislación se conectan con cada uno de los lados de la brida o unión. Un dispositivo de aislación eléctrica que funciona bien mostrará una deflexión total de la aguja, mientras que un dispositivo en corto mostrará una deflexión tendiente a cero. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:63 Figura 6.49 Verificador de Aislación Si el dispositivo de aislación eléctrica está enterrado y hay cables de medición a cada uno de sus lados, puede usarse un “verificador de aislación” para aplicaciones enterradas. Este instrumento es similar al verificador de aislación sobre nivel, pero está diseñado sólo para usarse con dispositivos de aislación enterrados. Puede ser utilizado para ensayar las condiciones de la aislación en cada uno de los espárragos de la brida. Potencial Estructura-Electrolito Se puede chequear la efectividad de un dispositivo de aislación usando los potenciales estructura-electrolito. Colocando el electrodo de referencia en un punto y sin moverlo, puede medirse un potencial de estructura a cada lado de la aislación. Si los potenciales son iguales o casi iguales, existe la posibilidad de que la aislación esté en corto. Si hay una diferencia apreciable en los potenciales de estructura a cada lado de la aislación, éstos están eléctricamente aislados. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:64 Ejemplo: Side AA Lado Lado de la Brida A B Side BB Lado Aislada En corto –1.560 VCSE –0.950 VCSE –0.875 VCSE –0.874 VCSE Potencial ON-OFF Estructura-Electrolito Usando un interruptor de corriente instalado en la fuente de corriente de PC más cercana, se puede interrumpir la corriente de protección en forma cíclica. Midiendo el potencial estructura-electrolito On y Off a cada lado de la aislación puede determinarse si el dispositivo aislante funciona correctamente o no. Para una aislación que funciona bien, el lado con la fuente de corriente interrumpida tendrá un potencial On más negativo que el potencial Off, y los dos valores cambiarán con el mismo intervalo que el interruptor de corriente. Del otro lado de la aislación, los potenciales On y Off serán aproximadamente iguales, e incluso a veces el potencial Off será más negativo que el potencial On. Si la aislación no funciona correctamente, los potenciales On y Off serán iguales a cada lado del dispositivo, y los potenciales a ambos lados cambiarán con el mismo intervalo cíclico que el interruptor de corriente. Ejemplo: Lado de la Brida A B Aislada (ON/OFF) En corto (ON/OFF) –1.560/–0.950 VCSE –0.950/–0.948 VCSE –0.875/–0.750 VCSE –0.875/–0.750 VCSE CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:65 Corriente Continua Medida en la Línea Medir las corrientes DC en una tubería puede ayudar a localizar un corto eléctrico y a determinar si un dispositivo aislante funciona correctamente. Estos ensayos pueden realizarse de varias formas. Primero, debe haber dos puntos de conexión eléctrica a la estructura que estén separados por lo menos varios cientos de metros. Estos puntos pueden ser dos estaciones de medición, una estación de medición de Caída Óhmica (Calibrada), dos válvulas, o dos puntas de conexión con la tubería. La Figura 6.50 muestra el principio de este ensayo, el que ya ha sido analizado en detalle en mediciones de corriente en este capítulo. Además, se dieron algunos ejemplos para calcular la resistencia del tubo y la magnitud de la corriente. El tamaño de la tubería, espesor de pared o peso por unidad de longitud debe ser conocido Los cables deben identificarse con colores Pipeline Tubería 0.17 + mV _ Current Corriente PipeTramo Span Tubería in Feet Figura 6.50 Ensayo de Corriente sobre la Línea con Dos Conexiones Midiendo la magnitud y la dirección de la corriente en la tubería de acero, se puede trazar la dirección que toma la corriente para retornar a su fuente (ver Figura 6.51). Si la corriente circula hacia un dispositivo de aislación eléctrica y no hay fuentes de corriente o puentes para interferencia ubicados entre el punto que usted está midiendo y la aislación, entonces el dispositivo no está funcionando correctamente y está en corto. Voltmeter Voltímetro Figura 6.51 Brida Aislante Enterrada en Corto CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Brida Aislante Ensayos de Campo 6:66 Celda Fija a Contacto Móvil En este ensayo, se conecta un electrodo de referencia a un borne de un multímetro y se coloca en una ubicación fija, mientras que el segundo borne del multímetro hace contacto en distintas partes de la estructura. Si se lee el mismo potencial estructura-electrolito en cada punto donde se hace contacto eléctrico, esto constituye un indicio de continuidad (ver Figura 6.52). Es posible que una porción aislada de la estructura pueda tener el mismo potencial que el resto de la misma. Si usted sospecha que éste puede ser el caso, deberá llevar a cabo algún otro de los ensayos descriptos en este capítulo. Site 4 Site 1 Site 3 Reference Electrode Site 2 V Figura 6.52 Técnica de Celda Fija a un Contacto Móvil Ejemplo: Sitio N° 1 2 3 4 Eléctricamente Continuo –1.560 VCSE –1.560 VCSE –1.560 VCSE –1.560 VCSE Eléctricamente Discontinuo –1.560 VCSE –1.456 VCSE –1.652 VCSE –1.488 VCSE Respuesta a una Inyección de Corriente Aplicando una corriente temporaria a un lado de la aislación, se puede determinar si el dispositivo aislante está funcionando correctamente. Si se usa la configuración ilustrada en la Figura 6.53, el lado de la aislación con la corriente temporaria aplicada se volverá más negativo con la aplicación de corriente, mientras que el tubo de lado opuesto se mantendrá inalterado. Si el dispositivo aislante no funciona correctamente, el cambio de potencial será igual a ambos lados de la aislación. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:67 Además, si se interrumpe la corriente en forma cíclica se puede confirmar la aislación eléctrica de la misma manera. Si las dos estructuras están aisladas, el lado alejado de la aislación no manifestará potenciales “cíclicos”. + Resistor de control _ Fuente de Energía Dispersor Temporario AMPS Interruptor De Corriente Flujo de Corriente _ + Estructura Figura 6.53 Respuesta a la Inyección de Corriente Ejemplo: Lado de la Brida A* B Eléctricamente Aislada (ON/OFF) –1.650 VCSE/–1.345 VCSE –1.300 VCSE/–1.300 VCSE En corto (ON/OFF) –1.650 VCSE/–1.345 VCSE –1.650 VCSE/–1.345 VCSE * Lado de la brida con corriente temporaria aplicada en forma cíclica ON y OFF. Tubos Camisa (Casing) Un casing puede tener un contacto (short) metálico o electrolítico. Un contacto metálico es un contacto metal-metal entre el casing y la tubería (carrier pipe). Este tipo de contacto generalmente causa un desplazamiento positivo del potencial tubo-electrolito en la zona del casing. El potencial puede desplazarse, por ejemplo de –959 mV (CSE) a –750 mV (CSE). El desplazamiento positivo es especialmente pronunciado si el casing está desnudo. Si usted descubre este tipo de desplazamiento en el potencial tuboelectrolito, debe sospechar la existencia de un contacto (ó corto) con el casing. Si hay un corto metálico, los potenciales de la estructura con respecto a un electrodo de cobre-sulfato de cobre serán básicamente los mismos en los cables de ensayo provenientes del tubo y del casing. Cuando un medio de baja resistencia, como agua o lodo penetra en el espacio anular entre el casing y el tubo, el potencial del casing puede desplazarse con la aplicación de corriente. Si el tubo camisa está aislado, el desplazamiento en el potencial del casing, no será de igual magnitud que el que se obtiene en CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:68 el potencial de la tubería, y habrá igualmente una diferencia de potencial entre la tubería y el casing. Identificar Problemas Un casing en corto con la tubería de transmisión (carrier pipe) generalmente se detecta cuando se presenta una o todas las siguientes circunstancias: Bajo perfil de potencial estructura-electrolito en la proximidad de un casing Deterioro súbito generalizado de los niveles de protección catódica Un relevamiento anual revela que la tubería y el casing tienen casi los mismos potenciales estructura-electrolito. Localizar el Problema Los siguientes son métodos para detectar casings en corto con tuberías. 1. Relevamiento de Potencial Estructura-Electrolito Coloque el electrodo de referencia lo más cerca posible del extremo del casing. Mida el potencial tubo-electrolito y casing-electrolito como se muestra en la Figura 6.54. Los valores deberían ser significativamente diferentes si la tubería tiene protección catódica. Si la diferencia entre los dos potenciales es de menos de 100 mV, es posible que el casing esté en corto con la tubería ó, accidentalmente, estar a potenciales similares y entonces se requieren más ensayos. Hay que tener cuidado de no sacar las conclusiones equivocadas a partir de los potenciales de estructura: se han cometido errores en este sentido por suponer que los potenciales medidos correspondían al casing, cuando en realidad los cables estaban conectados a una estructura ajena o a la propia tubería. Deben confirmarse, por lo tanto, las conexiones de los cables de ensayo; para esto, pueden usarse los tubos de venteo del casing para verificar la continuidad de las conexiones. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:69 Vc Electrodo de Ventilación + – Vp Referencia + Carrier Pipe Tubería Casing Figura 6.54 Configuración para Medir el Potencial Tubo-Electrolito y el Potencial Casing-Electrolito Ejemplo: Casing/Suelo Tubería/Suelo En corto –0.900 VCSE –0.900 VCSE 2. Relevamiento de Interrupción de Corriente. Potencial Aislado –0.750 VCSE –0.910 VCSE Estructura-Electrolito con Interrumpiendo el sistema de protección catódica más cercano pueden medirse cortos casing/tubo, como así también la continuidad en conductores. Con la fuente más cercana interrumpida, mida los potenciales estructuraelectrolito ON y OFF del casing y del tubo. Si los potenciales del casing se están desplazando en dirección opuesta o se desplazan poco entre ON y OFF, entonces lo más probable es que las dos estructuras no estén en corto. Una vez más, el electrodo de referencia debe estar ubicado cerca del extremo del casing y no debe moverse durante las mediciones. Hay que tener cuidado al interpretar estos datos. Si la fuente de corriente de PC está muy cerca del casing, es posible que los potenciales del casing se desplacen entre los ciclos ON y OFF por estar dentro del gradiente anódico de la fuente de PC. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:70 Ejemplo: Casing/Suelo Tubería/Suelo En corto (ON/OFF) –1.56 VCSE/–1.00 VCSE –1.56 VCSE/–1.00 VCSE Aislado (ON/OFF) –1.00 VCSE/–1.00 VCSE –1.56 VCSE/–1.00 VCSE 3. Cambio de Potencial Estructura-Electrolito (Ensayo de Respuesta a la Corriente) Mida el potencial tubo-electrolito y el potencial casing-electrolito respecto a un electrodo de referencia ubicado en el suelo directamente por encima de las estructuras. Use el venteo, cables conectados al casing o una lanza con punta para conectarse al casing. Imprima una corriente a una de las dos estructuras usando una fuente de DC que pueda interrumpirse y un dispersor temporario (ver Figura 6.55). Mida los potenciales estructura-electrolito EON y EOFF en ambas estructuras. Si los potenciales de las dos estructuras se hacen más negativos en la misma magnitud y en la misma dirección cuando la corriente está encendida, están en corto. Si el potencial de la estructura a la que se imprime la corriente se hace más negativo mientras que el potencial de la otra estructura disminuye o se mantiene constante, las dos estructuras están eléctricamente aisladas. − + +V Tubería de Venteo V + A CSE Carrier Pipe Casing Camisa Figura 6.55 Mediciones de Cambio de Potencial Estructura-Suelo CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 A n o d e o Ensayos de Campo 6:71 Ejemplo: 4. Casing/Suelo En corto (ON/OFF) –1.50 VCSE/–1.25 VCSE Tubería/Suelo –1.51 VCSE/–1.25 VCSE Aislado (ON/OFF) –1.25 VCSE/–1.25 VCSE –1.51 VCSE/ –1.25 VCSE Resistencia entre el Casing y la Tubería La resistencia entre una tubería y el casing puede ser medida utiliando un amperimetro, un voltímetro y un fuente de corriente continua. No debe usarse un óhmetro debido a la influencia del potencial de ambas estructuras. La Norma NACE Standard SP0200, “Steel-Cased Pipeline Practices”, describe esta técnica de medición. 5. Medición del Voltaje o Método de la caída IR Este método puede ser utilizado para estimar la ubicación del corto eléctrico entre el carrier y el casing. Se imprime una corriente entre el tubo camisa y el carrier desde dos ubicaciones diferentes y se mide la caída de potencial resultante a lo largo del tubo camisa. La relación entre esas caídas con respecto a la caída total, permite definir con alguna estimación, la ubicación del contacto. La Norma NACE Standard SP0200 describe esta técnica de medición y un detalle del cálculo. 6. Ensayo de Despolarización del Tubo Camisa El tubo camisa es despolarizado luego de haber recibido una corriente desde un electrodo provisorio, con el casing conectado al polo positivo de la fuente de corriente. Los potenciales son medidos sobre la tubería y el tubo camisa a diferentes magnitudes de la corriente. El procedimiento está descrito en la Norma NACE Standard SP0200. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:72 Mediciones de Resistividad de Suelos Objetivos La resistividad del suelo es uno de los factores que pueden determinar la corrosividad de un medio. La resistividad también es fundamental a la hora de diseñar sistemas de protección catódica. Evaluaciones de Corrosividad La resistividad del suelo y el pH son dos de los factores que determinan la corrosividad de un suelo. La resistividad del suelo es la medición de la capacidad del mismo para favorecer la corrosión electroquímica, y el pH es la medición de la acidez o alcalinidad del suelo. Ambos influyen en la corrosión de metales enterrados o sumergidos. La resistividad y el pH no son los únicos factores que influyen sobre la corrosión, ya que el nivel de acidez, la aireación, el contenido de humedad, el tipo, permeabilidad, composición y heterogeneidad del suelo juegan un papel importante a la hora de determinar la corrosividad de un suelo. Debido a la heterogeneidad natural del suelo, no hay un único valor de resistividad que represente un sitio dado, sino que se mide un rango de valores y se hace una serie de cálculos para determinar las resistividades de “capas” o estratos (layer resistivity). Técnicas de Medición Existen varios métodos para medir resistividades en los electrolitos. Entre ellos, el Método de Cuatro Puntas de Wenner como se describe en ASTM Test Method G57, la Jabalina de Collins, y la inducción electromagnética. Método de Cuatro Puntas de Wenner El método original de cuatro puntas desarrollado por Wenner usa cuatro varillas o jabalinas que se hincan en la tierra (Figura 6.56). Se aplica una corriente a las varillas externas y se mide el voltaje entre las varillas internas. La resistividad es una función de la corriente, el voltaje y la separación entre electrodos (lo que equivale a la profundidad del ensayo). Generalmente la corriente se aplica con un instrumento que suministra corriente alterna; de otra forma, habría efectos de polarización en los electrodos que podrían alterar la lectura. Si se usa una corriente continua DC, se deben tomar valores de corriente y potencial en forma CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:73 “instantánea”. Las corrientes vagabundas pueden afectar las lecturas si no se separan sus efectos de los datos obtenidos. Se puede usar corriente generada por baterías mediante un vibrador (v.g., Vibroground o Nilsson), o corriente generada mediante una manivela (v.g., Megger). El Nilsson usa un voltaje de 12 voltios y una frecuencia de 97 Hz y el Vibroground usa un voltaje de 100 voltios y 97 Hz. El LEM es un instrumento automático, controlado por microprocesador y usa un rango de frecuencias (50-128 Hz) y 48/20 voltios. Figura 6.56 Medición de Resistividad de Suelo con el Método de Cuatro Puntas de Wenner El primer paso consiste en determinar la resistencia en ohmios entre el par central de varillas. Usando los equipos detallados más arriba, disponibles comercialmente, el instrumento medidor de resistencia indica directamente la resistencia. La resistividad se calcula mediante la siguiente fórmula: ρ = 2π .a. R Ec. 6-22 donde: ρ = Resistividad en Ω-cm π = Constante Pi (3.1416) a = Separación en cm R = Resistencia, Ω o, si mide la separación en pies, use la siguiente fórmula: ρ = 191.5 a R Ec. 6-23 CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:74 donde: ρ = Resistividad en Ω-cm a = Separación en pies R = Resistencia, Ω Por ejemplo, si la lectura de resistencia es de 8 Ω a una separación entre varillas de 3.048 m (304.8 cm), luego la resistividad a una profundidad aproximada a los 3 metros es, ρ = 2 x π x 304.8 cm x 8 Ω = 15,320 Ω−cm o si la lectura de resistencia fuera de 8 Ω a una separación entre varillas de 10 pies, luego la resistividad promedio a una profundidad de 10 pies seria, ρ = 191.5 x 8 Ω x 10 pies = 15,320 Ω-cm. Si la línea formada por las varillas corre en forma paralela cerca de una tubería enterrada desnuda u otra estructura metálica, la presencia del metal desnudo puede hacer que los valores de resistividad medidos sean inferiores a los reales. Esto se debe a que una parte de la corriente de medición circulará por la estructura metálica en lugar de hacerlo a través de la tierra. Por consiguiente, debe evitarse esta configuración. Al medir resistividades a lo largo de una estructura, es recomendable colocar la línea de varillas perpendicular a la estructura, con la varilla más cercana a la estructura a no menos de 15 pies de la misma. Cálculos de Resistividad de Capas La resistencia, R, para cada separación (S), es la resistencia desde el nivel de la tierra hasta una profundidad igual a la separación entre puntas. La Figura 6.57 muestra la resistividad promedio y de las capas. S1 S2 ρ 1 avg ρ 2 avg ρ 1 capa ρ 3 avg ρ 2 capa ρ3 S3 capa Figura 6.57 Resistividad Promedio y de las Capas CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:75 Usando el Método de Wenner, la resistividad del suelo, ya sea promedio o de las capas, se determina mediante las ecuaciones 6-24 ó 6-25 Al calcular la resistividad promedio, “R” es la resistencia medida y ‘a’ es la separación entre puntas. Al determinar la resistividad de una capa, la resistencia “R” para la capa puede calcularse usando el Análisis de Capas de Barnes, que supone que las capas están en paralelo y que ‘a’ es el espesor de la capa. Comience con la fórmula para resistencias en paralelo: 1 / R T = 1 / R 1 + 1 / R 2 + 1 / R 3 +… + 1 / R N Ec. 6-24 Si hay únicamente dos resistencias en paralelo, entonces la Ecuación 6-24 cambia a: R2 = R1RT ( R1 − RT ) Ec. 6-25 Por lo tanto, basándonos en la ilustración anterior y en las ecuaciones, lo siguiente se cumple para las resistencias medidas R1, R2, y R3 con respecto a las separaciones S1, S2, y S3 en la Ecuación 6-26 con respecto a las capas de la Figura 6-57: RL 2 = R1R 2 ( R1 − R 2) Ec. 6-26 donde: RL2 Resistencia de la Capa 2 (Ohmios) Resistencia medida a profundidad S1 (Ohmios) R1 Resistencia medida a profundidad S2 (Ohmios) R2 Para calcular la resistividad promedio a una determinada profundidad y la resistividad de cada capa: ρ1 prom = 2πS1 R1 (191.5 S1 R1) S1 capa = S1 R1 capa = R1 ρ1 capa = 2πS1 RL1 (191.5 S1 R1) ρ2 prom = 2πS2 R2 (191.5 S2 R2) S2 capa = S2 – S1 R2 capa = (R1 R2)/(R1 – R2) ρ2 capa = 2πS2 RL2 (191.5 S2 R2 ) CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:76 ρ3prom = 2πS3 R3 (191.5 S3 R3) L3 = S3 – S2 RL3 = (R2 R3)/(R2 – R3) ρL3 = 2πL3 RL3 (191.5 S3 R3) La Tabla 6.3 muestra un ejemplo de cálculo de resistividad de suelo que pueden derivarse de datos obtenidos usando el Método de Wenner durante un relevamiento y el Análisis por Capas de Barnes. Tabla 6.3 Ejemplo de Calculo de Resistividad por Capas RESISTENCIA RESISTIVIDAD ESPACIAMIENTO (Ω) PROMEDIO (ft) [cm] (Ω–cm) RESISTENCIA DE LA CAPA (Ω) RESISTIVIDAD DE LA CAPA (Ω–cm) 5.22 [159.1] 10.0 10,000 10.0 10,000 10.44 [318.2] 7.4 14,795 28.46 28,450 15.66 [477.3] 3.1 9,295 5.33 5,328 La “Resistividad Promedio” en la Tabla 6.3 se calcula como se indica más abajo. ρ ave = 2 π a R ρ 1 ave = 2 π x 159.1 cm x 10 Ω = 10,000 Ω-cm O en pies ρ 1 ave = 191.5 x 5.22 ft x 10 Ω = 10,000 Ω-cm ρ 2 ave = 2 π x 318.1 cm x 7.4 Ω = 14,795 Ω-cm O en pies ρ 2 ave = 191.5 x 10.44 ft x 7.4 Ω = 14,795 Ω-cm ρ 3 ave = 2 π x 477.3 cm x 3.1 Ω = 9,295 Ω-cm O en pies ρ 3 ave = 191.5 x 15.66 ft x 3.1 Ω = 9,295 Ω-cm CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:77 La “Resistencia de la Capa” y la “Resistividad de la Capa” en la Tabla 6.3 se calculan como se indica a continuación: ρ 1 capa ρ L1 = ρ1ave ya que es la misma capa de suelo. ρ 2 capa ρ L2 = 2πS2 RL2 (con S2 en cm) donde L2 = S2 – S1 = 318.2 cm – 159.1 cm = 159.1 cm ó = 10.44 ft – 5.22 ft = 5.22 ft y RL2 = (R1 R2) / (R1 – R2) RL2 = (10.4 Ω x 7.4 Ω) / (10.4 Ω – 7.4 Ω) = 28.46 Ω ρ L2 capa= 2πL2 RL2 = 2 π x 159.1cm x 28.46 Ω = 28,450 Ω-cm O en pies ρ L2 capa = 191.5 L2 RL2 = 191.5 x 5.22 ft x 28.46 Ω = 28,450 Ω-cm ρ 3 capa ρ L3 = 2πL3 RL3 (con L3 en cm) donde L3 = S3 – S2 = 477.3cm - 318.2 cm = 159.1 cm CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:78 O en pies = 15.66 ft – 10.44 ft = 5.22 ft y RL3 capa = (R2 R3) / (R2 – R3) = (7.4 Ω x 3.1 Ω) / (7.4 Ω – 3.1 Ω) = 5.33 Ω ρ L3 capa = 2πL3 RL3 = 2π x 159.1cm x 5.33 Ω = 5328 Ω -cm O en pies ρ 3 capa = 191.5 L3 RL3 (con L3 en ft) = 191.5 x 5.22 ft x 5.33 Ω = 5,328 Ω-cm Método de una única Jabalina (Single Rod Method) Hay otro instrumento que lleva los electrodos montados sobre una única varilla. Se suministra una corriente alterna y se mide la resistividad utilizando un galvanómetro (v.g., Varilla o Jabalina de Collins). Si bien estas técnicas miden volúmenes reducidos de suelo, pueden ser útiles justamente por esta razón. Caben en lugares pequeños, como en las cercanías de tanques o entre tuberías, donde no pueden usarse las técnicas standard de Wenner que nos entregarían valores poco precisos. El aparato consiste en una única barra metálica, que puede hincarse en la tierra a la profundidad deseada. Por lo general, la punta de la vara está aislada del resto, de manera que pueda medirse la resistencia entre el extremo y el cuerpo de la vara. La resistencia medida está en función de la resistividad del suelo. Esto permite calibrar el mecanismo de medición de resistencia directamente en Ω-cm o medir la resistencia y multiplicar el valor observado por un factor para obtener un valor de resistividad. La Figura 6.58 muestra este mecanismo. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:79 Figura 6.58 Medidor de Resistividad con una Única Barra Caja de Suelo/Electrolito (Soil/Electrolyte Box) Existe otro método para medir resistividad que no requiere ningún contacto con la tierra. La medición de resistividad en laboratorio se realiza colocando una muestra del suelo o de una muestra de líquido, en un recipiente con electrodos. Luego se conectan estos electrodos a una fuente y a un instrumento que mida tensión entre los electrodos, y se mide la resistencia del suelo entre dos electrodos. Las diferencias residen en la forma en que se prepara el suelo para la medición. El ASTM G51 recomienda un método para medir el suelo tal como se lo recibe y saturado con agua natural, destilada o corriente. El AASHTO T288 recomienda secar la muestra, tamizarla y luego agregarle agua. La medición se realiza en una caja especial que tiene dos electrodos. Todos estos métodos miden una resistividad “mínima” de una muestra de suelo relativamente pequeña que no representa el suelo in-situ en lo que se refiere a compactación, presión, temperatura, permeabilidad o contenido de humedad. Por lo tanto, estos métodos no sustituyen a las mediciones de campo. Se puede fabricar o comprar una caja de suelo, como la que muestra la Figura 6.59. Los modelos comerciales consisten por lo general en una caja de plástico transparente construida con placas metálicas en sus caras laterales para ingresar la corriente y varillas que atraviesan la cara frontal para medir potenciales. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:80 La fórmula para el cálculo de la resistividad es: ρ= R× A L Ec. 6-27 Si se construye una caja con igual longitud y sección, el valor de resistividad será igual al de la resistencia. Si L = A entonces ρ=R pero ρ = resistividad del suelo (Ω−cm) R = resistencia del ensayo (Ω) Hay algunas cajas de suelo que se venden en esta forma para tener esta conversión directa (factor 1), pero recordar que las unidades para la resistencia (Ω) y la resistividad (Ω−cm) son diferentes. Sin las unidades correctas, el resultado es incorrecto. Figura 6.59 Medición de Resistividad con una Caja de Suelo CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:81 Medición del pH El pH del electrolito puede medirse de varias formas. Para líquidos, puede usarse papel de pH (papel de tornasol) o un medidor de pH. Para suelos, se puede usar un medidor de pH o se puede hacer un filtrado a partir de agua destilada y una muestra de suelo y medir el pH con papel de tornasol, un medidor de pH o un kit de medición de pH. Nótese que el medidor de pH utiliza un electrodo de vidrio con un bulbo de vidrio bastante frágil en la parte inferior. Al usar estos instrumentos, hay que tener cuidado de no romper el bulbo del electrodo. El pH del suelo también puede medirse usando un electrodo de antimonio y un electrodo de cobre-sulfato de cobre. El electrodo de antimonio consiste en una punta cónica de antimonio metálico en el extremo inferior de un tubo nometálico. El cono de antimonio se conecta a un terminal en la parte superior del tubo. Es importante mantener el antimonio limpio y brillante. Utilice un papel esmeril sin componentes metálicos o tela esmeril para limpiarlo. No use esponja de acero u otro abrasivo metálico, ya que las partículas de metal pueden insertarse en el antimonio y afectar la medición. Se colocan los dos electrodos, el de antimonio y el de cobre-sulfato de cobre, muy cercanos, con las puntas en el suelo y conectados a un voltímetro. No importa cuál celda está conectada a cada terminal del medidor ya que lo que se mide es el potencial entre los dos electrodos. Cuide de manchar la punta cónica de antimonio con sulfato de cobre. Hay una escala al costado del electrodo de antimonio calibrada en milivoltios y pH. Una vez medida la diferencia de potencial entre los dos electrodos, se puede determinar el pH a partir de esta escala. Estructuras de Hormigón El siguiente análisis corresponde principalmente a estructuras de hormigón reforzado expuestas a la atmósfera, como puentes y edificios. Las estructuras de hormigón reforzado que requieren protección catódica también se encuentran a veces sumergidas o enterradas, como tubos de hormigón pretensado, pilotes de hormigón pretensado y tubos de acero revestidos con mortero de cemento. Dado que la protección catódica requiere una estructura continua, y dado que generalmente el reforzado sólo se conecta mediante alambres de atadura, es necesario verificar la continuidad eléctrica. Los elementos CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:82 como drenajes, rieles, y juntas de expansión, también deben ser continuos con el reforzado para evitar la interferencia. La continuidad eléctrica puede evaluarse mediante mediciones de resistencia AC. Se hacen conexiones a la estructura en dos puntos bastante separados a través del instrumento AC. Una resistencia de menos de 0.100 ohmios indica continuidad. La continuidad también puede estimarse midiendo el potencial de las barras de refuerzo con respecto a una celda de referencia entre varias locaciones utilizando una posición fija para la celda de referencia. Los potenciales de las barras de refuerzo con respecto al electrodo de referencia, dentro de los ±0.001 V uno de otro indican que los puntos son continuos. Las lecturas mayores a ±0.001 V y menores de ±0.003 V indican continuidad dudosa, y las lecturas mayores a ±0.003 V indican que la estructura es discontinua. Cuando se va a instalar un sistema de protección catódica por corriente impresa, es importante la profundidad de la cobertura de hormigón. El ánodo no debe entrar en contacto con las barras de refuerzo o cualquier otro componente metálico de la estructura, de lo contrario se producirá un cortocircuito que inutilizará el sistema. La profundidad de la cobertura se mide usando un instrumento conocido como Pachometer. Los potenciales de las barras de refuerzo-electrodo de referencia se miden en las estructuras de hormigón para determinar la probabilidad de corrosión. En el ASTM Test Method C876, “Método de Ensayo para Potenciales de Hemi-Celda de Estructuras de Hormigón Reforzado con Acero sin Revestir” se suministran detalles acerca de este procedimiento. Se conecta un voltímetro de alta impedancia entre el acero de refuerzo y un electrodo de referencia colocado sobre la superficie de hormigón. El electrodo de referencia más usado es la hemi-celda de cobre-sulfato de cobre. Es posible que sea necesario excavar el hormigón para exponer el acero de refuerzo, a fin de hacer contacto con la estructura. Debido a la elevada resistencia inherente al circuito de medición, el voltímetro debe tener una impedancia de entrada lo suficientemente alta como para medir los potenciales de hemi-celda en forma precisa. La impedancia mínima del voltímetro es de 10 x 106 ohmios y se deben poder seleccionar valores más elevados para identificar las resistencias significativas del circuito. Para reducir la resistencia de contacto entre la superficie de hormigón y la hemi-celda, se coloca una esponja húmeda entre ellas. También es CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:83 recomendable humedecer toda la superficie con agua potable limpia. Esto reducirá las inestabilidades, pero resultará en una “nivelación” de los potenciales medidos. Las mediciones de potencial de hemi-celda pueden interpretarse como sigue: Potencial Más positivo que –200 mV -200 a –350 mV Más negativo que –350 mV Probabilidad de Corrosión < 5 por ciento Aprox. 50 por ciento > 95 por ciento Las mediciones de potencial en hormigón completamente saturado, por ejemplo pilotes sumergidos, pueden ser más negativas que –350 mV, pero presentar poca actividad de corrosión ya que la saturación de agua limita la difusión de oxígeno, lo que reduce la corrosión. Las mediciones de potencial generalmente se toman en forma de grilla, por ejemplo, una lectura cada 2-5 pies (0.6 a 1.5 m). Los datos obtenidos se grafican en un mapa de contornos que muestra las zonas que se están corroyendo. Inspección Directa La inspección directa implica la inspección física de la estructura. Para ello, la superficie de la estructura debe estar expuesta; luego se la limpia y se examina si hay corrosión. Puede medirse la corrosión general y el picado, y comparar con datos obtenidos con anterioridad. Si el sistema de protección catódica funciona, no debería haber incremento en la corrosión. Frecuencia de Fallas ó Pérdidas Comparando la frecuencia acumulativa de pérdidas en función del tiempo, frecuentemente puede identificarse el eefcto de la corrosión. Es típico de un proceso de corrosión que la frecuencia de fallas aumente logarítmicamente con el tiempo. Las pérdidas debidas a causas puramente mecánicas no se comportan con tanta regularidad. El efecto de la protección catódica es desacelerar o aplanar la curva de velocidad de pérdidas. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:84 La Figura 6.60 es un ejemplo de la curva de fallas o pérdidas en función del tiempo antes y después de la aplicación de la protección catódica. La Figura 6.60 ha sido elaborada a partir de datos reales provenientes de una tubería de transporte de agua de hierro de fundición antes y después de instalar la protección catódica. Las pérdidas ocurridas antes de 1984 muestran el aumento logarítmico de cantidad de pérdidas a lo largo del tiempo. Una vez instalada la protección catódica, se ve que las pérdidas prácticamente se han detenido. Este método de registrar curvas de pérdidas puede usarse para comprobar la efectividad de un sistema de protección catódica. Es especialmente útil para los dueños de estructuras no reguladas por agentes gubernamentales. 1000 Cumulative Breaks 636 100 53 10 1 1970 1975 1980 1985 Year CP Installed 1984 1990 1995 2000 Actual Projected (Without CP) Figura 6.60 Pérdidas Acumulativas vs. Tiempo Antes y Después de Aplicar la Protección Catódica Inspección Interna Inspection) (ILI Internal Line Para medir la corrosión dentro de una tubería pueden usarse instrumentos o “chanchos inteligentes (smart pigs)” (en México el término utilizado es “diablo” y en otros países de habla hispana “cochino”) que utilizan corriente ultrasónica, eddy currents, o instrumentos de medición CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 Ensayos de Campo 6:85 mecánica. Los pigs instrumentados contienen sensores que examinan la pared del tubo buscando defectos. Los mecanismos ultrasónicos funcionan midiendo el tiempo que le lleva a una onda de sonido de alta frecuencia atravesar la pared del tubo y volver al transductor. El instrumento está calibrado para medir este tiempo en forma de espesor de la pared del tubo. Los mecanismos magnéticos o de eddy current funcionan percibiendo desviaciones en el flujo del campo magnético causadas por los pits de corrosión u otros defectos que distorsionan el flujo del campo. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2010 CAPÍTULO 7 Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC Corrientes Vagabundas o Parásitas Las corrientes vagabundas son corrientes que circulan por pasos eléctricos distintos al circuito deseado. Una corriente vagabunda no es la corriente de corrosión galvánica entre ánodos y cátodos sobre la misma estructura. Las corrientes vagabundas, o de interferencia, pueden clasificarse en estáticas o dinámicas. Una corriente vagabunda puede ser una corriente continua o alterna (AC). Las corrientes vagabundas AC constituyen un problema más de seguridad que de corrosión. La excepción es el aluminio, que puede verse significativamente afectado por la corriente AC. Una corriente vagabunda continua genera una corrosión significativa en la mayor parte de los metales. Una corriente vagabunda es particularmente dañina ya que puede ser muy grande, generalmente de muchos amperes. Por otra parte, aún pequeñas cantidades de corriente vagabunda pueden ser altamente corrosivas si se descargan en una superficie pequeña. En algunas zonas, en especial cerca de sistemas de transporte ferroviarios o vías en minas subterráneas, las tuberías pueden conducir cientos de amperes de corriente vagabunda. Por cada ampere descargado desde una tubería u otra estructura, se pierde cierta cantidad de metal. La Ley de Faraday nos permite relacionar la pérdida por corrosión con la cantidad de corriente que se descarga. Para metales ferrosos (hierro de fundición, hierro dúctil, acero), cobre y plomo, las pérdidas son: Ferrosos Cobre Plomo 9.1 Kg/A-año 10.4 Kg/A-año 33.85 Kg/A-año (20 libras por amperio por año) (45 libras por amperio por año) (74.64 libras por amperio por año) Es evidente que, si no se la controla, una corriente vagabunda puede destruir una estructura muy rápidamente, o al menos ponerla en una situación potencialmente catastrófica. Estructuras inmersas en medios que no serían considerados CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 1/2009 Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:2 extremadamente corrosivos pueden dar lugar a fallas muy rápidamente si se las expone a corrientes vagabundas. Más aún, se debe considerar la densidad de corriente que permite relacionarla con la penetración total del metal. La corriente vagabunda, proveniente de una fuente externa, ingresa a la tubería a través del suelo (u otro electrolito) pero no genera corrosión en ese punto. Algunos metales anfóteros, como el aluminio y el plomo, sufren “corrosión catódica” en zonas de recolección o entrada (“pick up”) de corrientes vagabundas. De hecho, muchas estructuras reciben protección catódica “gratis” en el punto en que ingresa la corriente vagabunda. El efecto dañino se verifica en el punto en que la corriente abandona la estructura. El objetivo del análisis de corrientes vagabundas es determinar: • La fuente de la corriente vagabunda • ¿Dónde y en qué zona la corriente vagabunda ingresa a la estructura? • ¿Dónde y en qué zona la corriente vagabunda abandona la estructura? • ¿Cuál es la magnitud de la corriente vagabunda? • ¿Cómo puede mitigarse la corriente vagabunda? Corrientes Dinámicas Las corrientes vagabundas dinámicas son aquéllas que varían continuamente de amplitud y/o cambian la dirección del flujo de corriente. Estas corrientes pueden ser generadas por el hombre o bien generadas en la naturaleza. Fuentes de Corrientes Vagabundas Dinámicas Las corrientes vagabundas dinámicas pueden originarse a partir de cualquiera de las siguientes fuentes: • Sistemas de transporte • Operaciones en Minas Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:3 • Máquinas de soldadura DC • Transmisión de energía eléctrica • Plantas industriales (instalaciones de producción de aluminio y cloro) • Corrientes telúricas Ejemplos de fuentes de corrientes vagabundas de corriente continua son equipos de soldadura de corriente continua, operaciones en instalaciones mineras, y sistemas de vías electrificadas de corriente continua. Las corrientes telúricas son corrientes existentes en la naturaleza provocadas por perturbaciones del campo magnético terrestre debido a la actividad del sol. La Figura 7.1 ilustra la existencia de corrientes vagabundas originadas en un sistema ferroviario de corriente continua. Estas son comúnmente conocidas como corrientes vagabundas de sistemas de transporte. Corriente Requerida de Operacion SUBESTAC. DC Cable de Alimentación Positivo + _ RETORNO NEGATIVO Area de captura de corriente Flujo de Corriente a traves de una alta resistencia o aislacion Area de descarga de corriente Figura 7.1 Corrientes vagabundas dinámicas en un sistema de transporte Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:4 Corrientes Naturales (Telúricas) Las corrientes telúricas se generan por la interacción del viento solar (partículas de altos niveles de energía despedidas por el sol), el campo magnético de la Tierra y las estructuras metálicas en la superficie de la Tierra. La corriente generada varía en magnitud y dirección a lo largo del tiempo. Generalmente ocurre durante períodos de incremento en la actividad de las manchas solares. Las corrientes telúricas crean dificultades importantes a la hora de monitorear, pero no se ha demostrado en forma concluyente que causen corrosión. Detección de Corrientes Vagabundas Dinámicas Las corrientes vagabundas dinámicas pueden ser rápidamente detectadas a partir de las mediciones de potencial estructura/electrolito y mediciones de corriente a lo largo de las líneas. Las corrientes vagabundas dinámicas pueden manifestarse como un cambio del potencial estructura-electrolito a lo largo del tiempo, con un electrodo de referencia en una posición fija en contacto con el electrolito. Estos cambios de potencial son el resultado directo de cambios de la corriente en la fuente que produce la interferencia. Figura 7.2 Variaciones del Potencial de la Tubería debido a la Acción de Corrientes Vagabundas Dinámicas Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:5 Las variaciones en los gradientes de potencial en el terreno, pueden detectarse usando dos electrodos de referencia separados por varios metros. Los electrodos de referencia colocados en el suelo sobre la tubería ya instalada o sobre la traza propuesta, indicarán los gradientes de potencial a los que el tubo está (o estará) expuesto entre los dos electrodos. + Reading Electrodo de Referencia + _ Voltimetro con Lectura + Electrodo de Referencia Current Corriente Figura 7.3 Medición de Potencial entre Dos Electrodos El análisis de las corrientes vagabundas dinámicas requiere el uso de correlaciones, o comparaciones, de corrientes o voltajes en un punto de la estructura con respecto a otro. Es necesario tener suficientes estaciones de medición sobre la estructura para poder medir los potenciales estructura-suelo y la corriente a lo largo de la estructura. Si la estructura tiene pocas o ninguna estación de medición y se detectan corrientes vagabundas, es conveniente instalar estaciones de medición adicionales para permitir un análisis adecuado. (+) (+) () V V V V V V (+) () Figura 7.4 Medición de Potencial Entre Dos Electrodos. () Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:6 Registro Continuo de Datos El análisis indicado más arriba, suministra información valiosa acerca de dónde entra y se descarga una corriente vagabunda en una estructura. Pero no da información acerca del valor de la máxima corriente vagabunda que afecta a la estructura, no muestra si los voltajes de corrientes vagabundas observados durante el ensayo son significativos, y no documenta la dirección predominante del voltaje y la corriente. Para esto se necesitan datos sobre la magnitud de las corrientes vagabundas a lo largo del tiempo. Estos datos se obtienen usando un registro de voltaje de largo plazo (24 horas o más). Se puede usar un registrador de papel o bien un data logger. Figura 7.5 Gráfica de un Registrador de Datos donde se ilustra la existencia de Corrientes Vagabundas Dinámicas. Seleccione la ubicación a ser ensayada según los resultados de las correlaciones: la mejor ubicación será la que tenga mayor importancia. Obviamente, la ubicación donde se haga el registro debe ser una de las estaciones de medición usadas en las correlaciones. En la medida que los registros de potenciales puedan ser correlacionados con los de las otras estaciones de medición, es posible obtener entonces los potenciales allí; sin embargo cualquier estación de medición puede ser utilizada. Seleccione una ubicación en la que el aparato de registro esté seguro Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:7 y fuera del tráfico, peatones, vándalos. Nota: El aparato de registro debe identificarse con el nombre de la compañía, dirección y número de teléfono. Puede ser necesario utilizar más de un aparato de registro. Encontrando la Fuente de la Corriente vagabunda En ingeniería, las soluciones a los problemas de corrientes vagabundas pueden ser complejas. Con frecuencia hay más de una fuente. Los sistemas de transporte, que son frecuentemente los culpables, no funcionan con una única subestación; más bien tienen varias subestaciones que funcionan en paralelo y alimentan muchas líneas al mismo tiempo. Estos sistemas de transporte funcionan con muchos miles de amperes de corriente, y sus efectos pueden apreciarse muchas millas alrededor en estructuras enterradas. Para que la- corriente vagabunda sea drenada desde la estructura de interés hacia la fuente, deben cumplirse dos condiciones: • La fuente debe tender a recolectar las corrientes vagabundas en el punto en que se instalará el puente de mitigación (mitigation bond). Esto se determina usando las correlaciones descriptas más arriba. • La estructura debe tender a descargar corrientes vagabundas en el punto en que se instalará el puente de mitigación (mitigation bond). Esto también se determina usando las correlaciones descriptas más arriba. Debe drenarse suficiente corriente para eliminar (mitigar) la exposición más severa a la corriente vagabunda. Esto se determina midiendo o calculando el flujo de corriente a través del puente propuesto u otro sistema de mitigación. Corrientes de Estado Estacionario (Estáticas) Las corrientes de interferencia estáticas o de estado estacionario, se definen como aquéllas que mantienen amplitud y pasos geográficos constantes. Ejemplos de ellas son los sistemas de puesta a tierra en líneas de alta tensión de corriente continua (HVDC) y los sistemas de protección catódica. La Figura 7.6 muestra el efecto de la interferencia proveniente de un sistema de protección catódica sobre una tubería ajena. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:8 Ánodo Corriente de Protección Catódica + Corriente de interferencia (corrosión) que fluye a través del terreno hacia la línea protegida Corriente de protección captada por la línea ajena Línea Protegida Línea Afectada Ajena Figura 7.6. Interferencia por Corriente Vagabunda Estática Proveniente de un Sistema de Protección Catódica La polaridad de los gradientes de potencial al terreno remoto que afectan a la estructura ajena determina el tipo de interferencia. Ésta puede ser de cualquiera de los dos tipos que se describen a continuación, o una combinación de ambos. Interferencia Catódica Cuando un gradiente de potencial se superpone con una estructura ajena y es negativo con respecto al terreno remoto, hace que la corriente se descargue desde la estructura ajena dentro del área de influencia. El gradiente de potencial catódico puede ser considerado como el factor controlante en este tipo de situaciones. Si la corriente se descarga desde una estructura, entonces ésta debe colectar corriente fuera del área de influencia. Ésta es una interferencia catódica y se ilustra en la Figura 7.7. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC Captura de Corriente de Interferencia 7:9 Descarga de Corriente Tubería de Interferencia Ajena + Captura de Corriente de Interferencia Gradiente de Potencial alrededor de la tubería Protegida Tubería - Rectificador Lecho de Corriente Impresa Remoto de la Tubería Protegida Figura 7.7 Interferencia Catódica Interferencia Anódica La interferencia anódica es lo opuesto de la interferencia catódica. Si una estructura ajena cruza un gradiente de potencial positivo con respecto al terreno remoto, hará que la corriente ingrese a la estructura ajena dentro del área de influencia. El gradiente anódico puede ser considerado como el factor controlante en este caso. Dado que la corriente ingresa a la estructura ajena, debe descargarse fuera del área de influencia. La interferencia anódica se ilustra en la Figura 7.8. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC Descarga de Corriente de Interferencia Línea Ajena - + Rectificador 7:10 Captura de Corriente de Interferencia Descarga de Corriente de Interferencia Gradiente de Potencial en el Lecho Lecho de Corriente Impresa Tubería Protegida Remota a la Tubería Ajena Figura 7.8 Interferencia Anódica En determinadas condiciones, una estructura ajena puede cruzar varios gradientes de potencial que promuevan interferencias anódicas y catódicas a partir de una única fuente de corriente. Por ejemplo, una estructura ajena podría cruzar la estructura con protección catódica en un punto y a su dispersor de corriente impresa en otro. Detección de Corrientes de Interferencia Estáticas Ciertos cambios y/o condiciones en el sistema indican la presencia de corrientes de interferencia, incluyendo: • Cambios en el potencial estructura-electrolito en la estructura afectada, causados por la fuente ajena de corriente continua • Cambios en la magnitud o dirección de la corriente de la línea debidos a la fuente ajena de corriente continua • Picado (pitting) localizado en zonas cercanas o inmediatamente adyacentes a la estructura ajena Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:11 • Rotura de recubrimientos protectores en una zona localizada cerca del dispersor anódico o cualquier otra fuente de corriente vagabunda continua La interferencia estática se detecta mediante el análisis de relevamientos de potencial tubo-suelo. El técnico en corrosión a veces puede malinterpretar un relevamiento de potenciales tubo-suelo debido a las corrientes vagabundas estáticas. En una tubería sin protección, las zonas que se corroen (anódicas) presentan un potencial que resulta más negativo cuando se mide con respecto a un electrodo de referencia, mientras que las zonas que no se corroen (nobles) muestran un potencial más positivo (menos negativo). Considere el caso en que una corriente vagabunda circula hacia el tubo, en dirección protectora. En este caso, la corriente vagabunda hace que el suelo sea más positivo que el tubo, y en el perfil de potenciales tubo-suelo aparece un área más negativa, dando la falsa indicación de un área que se corroe. Lo inverso también sucede en las zonas en que la corriente vagabunda abandona la tubería. Los perfiles de potencial superficial pueden ser engañosos, en la medida que representen una situación donde la corriente que abandona la estructura que está siendo relevada está próxima de una estructura que la cruza. Los efectos de la interferencia estática se detectan de manera similar en tuberías protegidas. Sin embargo, en este caso la interpretación de los potenciales es opuesta a la que se acaba de describir para el caso de una tubería sin protección. Las Figuras 7.9 y 7.10 muestran ejemplos de relevamientos paso a paso (closeinterval surveys (CIS)) y el efecto de corrientes vagabundas estáticas en los potenciales tubo-suelo para estructuras revestidas y no revestidas con protección catódica. Los principales puntos a tener en cuenta para detectar efectos de interferencia estática en una tubería son: • Los perfiles de potencial muestran variaciones anormales con respecto a relevamientos previos. • Se presentan valores muy negativos sobre la tubería lejos de cualquier sistema de protección o en una tubería sin protección. • Se miden corrientes inusuales a lo largo de la tubería. • Se presentan potenciales negativos bajos o incluso positivos. • Los cambios en el drenaje de corriente de un sistema de protección catódica cercano ocasionan cambios en el potencial estructura-suelo de la tubería. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC (-) - 1600 7:12 Corriente captada del lecho de ánodos de la línea interferente 1400 1200 1000 A 800 B C 600 400 Descarga de corriente hacia la línea interferente 200 + (+) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Distancia Línea 1 Línea que interfiere Rectificador que interfiere Línea 2 A Línea interferida B C Figura 7.9 Efecto de Corriente de Interferencia Estática sobre Potenciales Tubería-Suelo, para una Estructura Recubierta con Protección Catódica (Línea que sufre interferencia –Línea 2) Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC (-) 7:13 1400 Corriente captada de los ánodos que interfieren 1200 1000 800 600 400 A B D C Descarga de corriente a la línea que interfiere 200 (+) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Distancia Línea 1 Línea que interfiere Rectificador que interfiere Línea interferida A Línea 2 C D B Figura 7.10 Efecto de Corriente de Interferencia Estática sobre los Potenciales de una Estructura No Recubierta con Protección Catódica (Línea que Sufre Interferencia – Línea 2) Muestra de Datos de Campo Potenciales Estructura a Electrolito Cuando se hace un ensayo para determinar la existencia de corriente de interferencia, con un interruptor instalado en la fuente sospechada de ser la causa de la interferencia, es de suma importancia que los potenciales ON y OFF sobre la estructura sean identificados por la duración de los ciclos de interrupción y la asunción de que los valores de potencial ON sean los valores de potencial más negativo, NUNCA debe ser hecha. Consideremos un ejemplo con dos estructuras protegidas con sistemas de PC independientes; a la estructura designada como “foránea” en este ejemplo se le aplica un nuevo sistema de PC que afecta negativamente a la otra estructura Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:14 (estructura “afectada”). La Tabla 7.1 muestra los datos obtenidos sobre la estructura afectada en tres puntos de ensayo. Tabla 7.1 Muestra de Datos que Indican Interferencia Anódica y Catódica. ESTRUCTURA UBICACIÓN AFECTADA ON OFF X -1600 -1100 Y - 400 -1050 Z -1000 -1000 Un cambio negativo en los potenciales cuando se enciende la corriente indica posible captura de corriente. En algunos casos, un desplazamiento negativo en una estructura cuando se energiza el sistema de PC foráneo puede atribuirse a los gradientes de potencial en el medio que no resultan en captura de corriente. Un desplazamiento del potencial en dirección positiva (menos negativo) al energizar el sistema de PC foráneo puede indicar una reducción general de la corriente de PC capturada por la estructura afectada, o puede indicar un drenaje de corriente. Un drenaje de corriente es evidente cuando el potencial se desplaza a un valor menos negativo que el potencial de corrosión natural de la estructura afectada. En los datos de ejemplo que muestra la Tabla 7.1, la Interferencia Anódica está indicada como probable en el Punto “X” de la estructura afectada y sugiere que éste es un gradiente anódico de los ánodos de PC de la estructura foránea. La Interferencia Catódica y el drenaje de corriente están indicados en el Punto “Y” sobre la estructura afectada, ya que los potenciales se vuelven menos negativos que el potencial de corrosión natural cuando se enciende el sistema de PC de la estructura foránea. No hay descarga ni captura de corriente en el Punto “Z” sobre la estructura afectada. Mediciones de Corriente Las mediciones de corriente que circulan por una estructura tal como una tubería, pueden ser utilizadas para predecir zonas de captación o descarga de corriente utilizando el principio de la Ley de Corriente de Kirchhoff tal como se ilustra en la Figura 7.11. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC Measured Calculated 7:15 A B C 1.0 A 2.0 A 4.0 A 3.0 A 6.0 A Figura 7.11 Captación y Descarga de Corriente Utilizando Corriente de Línea. La corriente fue medida en los puntos A, B y C y la descarga o captura de corriente fue determinada usando la Ley de Corriente de Kirchhoff, esto es la diferencia en corriente entre dos puntos medidos representa bien una captura o una descarga de corriente. En la Figura 7.11, debe haber una descarga de corriente entre los puntos A y B igual a la diferencia entre las corrientes (1.0 – (-2.0) = 3.0 A) mientras que habrá una captura de corriente entre los puntos B y C igual a la diferencia entre la corriente que corresponde a esos puntos (-2.0 - 4.0 = -6.0 A). Resolución de Problemas de Interferencia Los problemas de interferencia son de naturaleza única, y su solución debe ser aceptable para todas las partes involucradas. Resolver problemas de interferencia generalmente requiere: • Eliminación de los efectos dañinos de la corriente de interferencia mediante la instalación de un paso metálico de retorno • Contrarrestar los efectos de la corriente de interferencia aplicando protección catódica • Consultar con el comité de coordinación de servicios • Eliminar o reubicar la fuente de la corriente de interferencia • Prevenir la captura ó limitar el flujo de la corriente de interferencia Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:16 Estos enfoques generales se traducen en técnicas específicas: • Ajustar la salida de corriente de los sistemas que interfieren. • Reducir la corriente vagabunda en la fuente (v.g., aislación con respecto de la tierra, mejor conductividad de los retornos negativos, o menores voltajes). • Aplicar recubrimiento en el (las) área(s) de captación de corriente. • Instalar un puente de mitigación, o conexión eléctrica, entre las estructuras, para drenar la corriente vagabunda de vuelta a su fuente a través de un conductor eléctrico en vez de la tierra. • Reubicar estructuras existentes o reelaborar las trazas de estructuras propuestas. • Ubicar correctamente dispositivos aislantes. • Aplicar protección catódica a la estructura afectada en el punto en que se descarga la corriente de interferencia. • Reubicar los dispersores ( camas de ánodos) • Separar la estructura de interés en segmentos más pequeños eléctricamente aislados para reducir los gradientes de potencial de las corrientes vagabundas que atraviesa la estructura. Instalación de Uniones Metálicas para Controlar la Interferencia La Figura 7.12 ilustra el uso de una unión metálica entre dos tuberías. La resistencia de la unión (bond) debe ser menor que la resistencia del paso paralelo a través de la tierra. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:17 Estructura Ajena Estructura Protegida + Estación de Medición Ánodo Captura Figura 7.12 Puente Eléctrico Nota: La estructura protegida debe ser más negativa que la estructura ajena en el área donde se coloca el puente para retornar la corriente en forma segura. La Figura 7.13 ilustra el uso de un conductor metálico, para controlar la interferencia de la corriente proveniente de un sistema de transporte. Carga Requerida Para Operar el Tren Alimentación Positiva Aérea Subestación DC + _ Vías - Retorno Negativo Unión a Través de Uniones de Alta Resistencia Figura 7.13 Instalación de un Puente o Unión Metálica Al instalar uniones metálicas, debe considerarse lo siguiente: Cable de Unión Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:18 • Los sistemas de control uni-direccionales, como diodos o interruptores de inversión de corriente (reverse current switches), pueden requerirse en la unión metálica en presencia de corrientes fluctuantes. Estos sistemas impiden la inversión del flujo de corriente. • Puede necesitarse una resistencia en el circuito de la unión metálica para controlar el flujo de corriente desde la estructura afectada hacia la estructura que ocasiona la interferencia. Con la resistencia adecuada se detendrá la descarga de corriente de interferencia desde la estructura hacia el electrolito. • Si hay protección catódica en la estructura que ocasiona la interferencia, las uniones metálicas pueden reducir la magnitud de la protección. Por lo tanto, puede requerirse protección catódica suplementaria en la estructura que ocasiona la interferencia para compensar este efecto. • Una unión metálica puede no funcionar correctamente en el caso de una tubería con protección catódica sin recubrimiento o con un recubrimiento defectuoso que causa interferencia en una tubería revestida. En este caso la unión metálica puede aumentar la descarga de corriente. Revistiendo la tubería desnuda o instalando ánodos galvánicos localizados en la tubería revestida se reducirán los efectos de la interferencia. Problemas con un Único Puente Una vez que se ha hecho todo lo que resulta práctico para minimizar la acumulación de corrientes vagabundas en las estructuras, es necesario controlar la pérdida de corriente que sigue circulando por la línea. Si hay una determinada locación (por ejemplo, una estructura como una subestación de un sistema de transito) hacia la cual circula la corriente, frecuentemente es posible diseñar una unión metálica a través de la cual esta corriente pueda retornar al sistema de tracción o, en el caso de una operación industrial, a la fuente (Figura 7.14) Esto requiere recoger determinados datos y calcular la resistencia que se necesita en la unión. La mitigación de problemas de interferencia de tipo dinámica no es parte del curso pero está cubierto en un Curso de Interferencia (CP Interference Course NACE). Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:19 Vías Trolley Subestación - Puente + Tubería Punto de Máxima Interferencia Figura 7.14 Solución de un Problema con una Única Unión En casos relativamente simples que involucran una única fuente de corriente vagabunda, es posible encontrar una solución mediante ensayo y error. Si usted sólo está interesado en eliminar los cambios corrosivos de potencial causados por la fuente utilizando una unión metálica, entonces lo único que tendrá que hacer será insertar una resistencia variable con la adecuada capacidad de conducir corriente en la unión. El valor de la resistencia se reduce lentamente a medida que se observa el potencial tubo-suelo en la zona más crítica. Cuando las variaciones en el potencial tubo-suelo en la zona más crítica se detienen, se ha llegado al valor correcto de resistencia. Siempre es recomendable usar una unión con resistencia en lugar de una unión directa por las siguientes razones: • La unión con resistencia limita la cantidad de corriente que circula por la estructura que se desea proteger. • La unión con resistencia debe ser lo suficientemente baja en resistencia para asegurar que la corriente de interferencia está usando este paso metálico en lugar del electrolito. • Las uniones con resistencia están sujetas a daño por picos de corriente elevados y por lo tanto deben ser inspeccionados en forma frecuente (ver Capitulo 8). Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:20 Controlando la Dirección de la Corriente Vagabunda a través de la Unión A veces, la corriente vagabunda en la unión va en la dirección deseada la mayor parte del tiempo, pero no todo el tiempo. En estos casos, la corriente vagabunda circulará hacia la fuente cuando la estructura a proteger descarga corriente (se corroe) y lo inverso ocurrirá cuando la estructura recibe la corriente vagabunda. No es deseable que la corriente vagabunda circule hacia la estructura ya que habrá un punto de descarga en algún(os) otro(s) lugar(es). Para evitar el flujo inverso se usan diodos o interruptores de inversión de corriente (reverse current switches). La resistencia a la corriente en la dirección correcta de estos sistemas debe incluirse en los cálculos de la unión. Reverse-Current Switch Cuando hay fuentes de corrientes de interferencia dinámicas, la dirección de la corriente a través de un puente podría invertirse provocando corrosión acelerada. Un diodo puede ser apropiado para prevenir esta situación, pero su respuesta puede ser relativamente lenta. También puede ser instalado un relay que se abrirá en caso de corriente inversa. Una combinación de un diodo y un relay reduce las desventajas de cada uno de ellos. Otra solución puede ser el uso de un rectificador con control de potencial que controla la corriente a través de una unión de drenaje forzado tal como se presenta en la Figura 7.15. Rectificador + Controlador Tubería Electrodo de Referencia Permanente Figura 7.15. Puente de Drenaje Forzado (Forced Drainage Bond) Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:21 Control de Corrientes de Interferencia con Protección Catódica La corriente de interferencia puede ser regresada en forma segura a su fuente a través de un sistema de protección catódica. En la Fig. 7.16 se presenta un ejemplo utilizando un ánodo de sacrificio (galvánico). Estructura Ajena Estructura Protegida Descarga de Corriente desde el Ánodo Ánodo de Sacrificio + Ánodo Captura Figura 7.16 Ánodos Galvánicos Recubrimiento El recubrimiento de una zona de conocida captura de corriente puede reducir la cantidad de corriente de interferencia pero la mayor parte de la zona que es afectada por el gradiente anódico debe ser perfectamente recubierta (ver Figura 7.17). No revestir áreas de descarga de corriente ya que esto causará un pitting acelerado en los pequeños holidays o fallas del recubrimiento. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:22 Recubrimiento Estructura Ajena Reducida Corriente Captada por el Tramo Recubierto Algo de Corriente Captada en las Fallas del Recubrimiento + Estructura Protegida Fig.7.17 Recubrimientos Protectores Medición y Mitigación de AC Introducción Las dificultades para obtener derechos de uso sobre las trazas y del concepto de corredores de servicios han hecho que muchas estructuras enterradas, tuberías particularmente, hayan tenido que instalarse muy cerca de sistemas de transmisión y distribución de energía eléctrica. El campo electromagnético generado por el flujo de corriente alterna aumenta, disminuye y cambia de dirección 120 veces por segundo, como muestra la Figura 7.18. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:23 Campo Magnético Producido por la Línea Aérea Tubería Pipeline Suelo Soil Soil Figura 7.18 Interferencia AC sobre una Tubería Debido a un Campo Electromagnético Variable Cualquier objeto metálico sometido a un campo electromagnético alterno presentará un voltaje inducido. Además, las fallas en los conductores de energía a tierra pueden generar corrientes de falla de importancia en la estructura enterrada. Hay tres formas básicas en que aparecen los voltajes y corrientes AC en estructuras metálicas cercanas a líneas AC. Estas formas son las que se describen a continuación: • Acoplamiento electrostático, en que la estructura actúa como una de las placas de un condensador con respecto a la tierra. Esto sólo puede ser de relativa gravedad, cuando la estructura está sobre el nivel del terreno (v.g., tubería sostenida sobre soportes). • Inducción electromagnética, en donde la estructura actúa como el secundario de una única espira de un transformador con núcleo de aire, en el cual la línea eléctrica es el primario. Este tipo de inducción puede ocurrir con la estructura enterrada o a nivel. • Acoplamiento resistivo, en donde la energía AC se transmite a la tierra y luego fluye hacia la estructura. Las corrientes vagabundas alternas pueden causar corrosión en estructuras metálicas, aunque la cantidad de metal perdido es menor que el que produciría un drenaje de corriente DC equivalente. Por ejemplo, un ampere de corriente continua (DC) resulta en una pérdida de aproximadamente 20 libras de acero en un año, Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:24 mientras que un ampere de corriente AC consumiría menos de una libra. La pérdida de peso por corrosión varía según el metal y la densidad de la corriente alterna. Por ejemplo, el aluminio puede presentar una pérdida de peso de aproximadamente 40% de la corriente DC equivalente, con densidades de AC mayores a 40 mA/cm2 (400 Amperes/m2) Si bien la pérdida de peso por corrosión para las corrientes AC es menor que para las corrientes DC equivalentes, la magnitud de una corriente vagabunda AC es con frecuencia muy grande –cientos de amperes en la inducción electromagnética y miles de amperes durante las fallas de las líneas de energía. Estos elevados niveles de corriente pueden constituir un riesgo para el personal y dañar la estructura y los equipos, como por ejemplo las instalaciones de protección catódica. Acoplamiento Electrostático o Capacitivo Dos materiales separados por un material dieléctrico pueden ser considerados como un condensador. La capacitancia es la capacidad de almacenar carga entre dos conductores relativos a la diferencia de potencial entre los conductores. En este caso el dieléctrico es el aire y la línea de energía uno de los conductores, mientras que la tubería o cualquier equipamiento sería el otro conductor. Un daño puede ser provocado por una reacción no controlada frente a un shock más que a la posibilidad de electrocución debido a este tipo de acoplamiento. Este acoplamiento se produce en equipamiento aéreo o tuberías durante la etapa de la construcción o bien de mantenimiento de la misma. Durante estas operaciones una persona calificada debería monitorear el potencial AC e instalar sistemas de puestas a tierra sobre secciones de tubería de acuerdo a las necesidades. Inducción Electromagnética La corriente de interferencia AC inducida más importante tiene lugar como resultado de la inducción electromagnética, como se muestra en las Figuras 7.19 y 7.20. Las cargas en la tubería se separan alternadamente hacia los extremos opuestos de la tubería. La magnitud de la corriente vagabunda resultante es directamente proporcional a las corrientes de fase (IΦ) y sus magnitudes relativas y a la longitud (L) de exposición mutua; es inversamente proporcional a la distancia relativa (d) entre la estructura y los conductores de la línea eléctrica. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:25 Conductor Aéreo – 1 φ d = distancia entre la línea aérea y la tubería Lengt Longitud h VVo o VVo Suelo (Voltaje a Tierra) Figura 7.19 Voltajes AC Inducidos Electromagnéticamente Primario (Línea) VINDUCIDO = f ( I Φ , 1 ,L) d Núcleo de Aire VINDUCIDO V Inducido VO = 2 Secundario (Tubería Enterrada) Figura 7.20 Modelo de un Voltaje Inducido Electromagnéticamente El voltaje inducido no depende directamente del voltaje de la línea eléctrica; por lo tanto, los sistemas de voltaje AC relativamente bajo pueden producir corrientes inducidas electromagnéticamente. En especial, las líneas de distribución AC monofásicas con mucha carga pueden provocar una actividad de corrientes vagabundas AC significativa. La tubería actúa como el secundario con una bobina única de un transformador con núcleo de aire, y las líneas eléctricas AC son el primario de ese transformador (véase Figura 7.20). El voltaje inducido (Vinducido) aparece en los extremos del tubo. El voltaje a tierra (Vtierra) en cada extremo de la estructura es la mitad del voltaje inducido total. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC + E 7:26 Tubería Corta Mal Revestida o Tubería Larga Bien Revestida Tubería Corta Bien Revestida Distancia Figura 7.21 Voltajes Inducidos Electromagnéticamente en una Tubería Enterrada Para una tubería corta y bien revestida que no tenga pérdidas eléctricas (que causen atenuación o disipación de la energía eléctrica), el perfil del voltaje inducido en función de la distancia es lineal. Sin embargo, para tuberías mal revestidas o muy largas y bien revestidas, el perfil de voltaje es no-lineal y los picos de voltaje inducido son de menor magnitud. Estos picos aparecen en cualquier campo electromagnético o discontinuidad de la tubería. Por ejemplo, cuando una tubería corre paralela y cercana a una línea eléctrica por una cierta distancia, los picos de voltaje inducido se localizarán allí donde se separan la línea eléctrica y la tubería. En estas circunstancias, el efecto del voltaje inducido puede extenderse por cierta distancia a lo largo del tubo desde la traza de la línea eléctrica. Midiendo el potencial AC de la estructura con respecto a la tierra se pueden identificar fácilmente las corrientes de interferencia de origen AC. El electrodo de referencia utilizado para mediciones de protección catódica puede usarse como contacto con la tierra. Es prudente medir tanto los potenciales AC como los DC con respecto a tierra en todas las estructuras cercanas a líneas eléctricas. Por lo general, los potenciales DC serán más positivos en los picos de voltaje AC que en ausencia de interferencia AC. Acoplamiento Resistivo Durante las fallas de la línea a tierra, pueden transmitirse grandes corrientes AC a la tierra mediante acoplamiento resistivo y, por lo tanto, a las estructuras enterradas cercanas. Estas corrientes, que pueden ser de varios miles de amperes, pueden causar daños físicos sustanciales a los recubrimientos de las estructuras; en casos extremos en que la densidad AC es elevada, el acero de los tubos puede llegar a derretirse. Estas fallas ocurren con poca frecuencia y tienen corta duración; por lo tanto, no representan un riesgo serio para el personal. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:27 Potenciales AC en Tuberías Los potenciales AC peligrosos pueden aparecer en una estructura como resultado de la inducción, corrientes de retorno en la tierra, o durante las fallas en los circuitos eléctricos. En los casos en que una estructura o los cables de medición están paralelos a los circuitos de transmisión eléctrica, pueden aparecer potenciales AC significativos. Si un potencial AC está cerca o mayor a 15 V, la estructura debe ser considerada peligrosa y los operarios que trabajan sobre la estructura deben ser adecuadamente alertados de esa situación. El propietario o el supervisor deben estar concientes de que debe tomarse alguna medida para reducir ese voltaje peligroso. Si el potencial AC está por debajo de 15 V, ninguna acción debería ser tomada. Sin embargo, debe ser entendido que a diferencia de los potenciales DC, lo potenciales AC se modifican con la carga en la línea de transmisión de energía, de manera que los potenciales AC deben ser medidos en función del tiempo. Por lo tanto, contacte la compañía de electricidad para averiguar a qué valor de carga porcentual estaba operando la línea cuando se tomaron mediciones de potencial. Esto indicará el valor de potencial AC que puede ser esperado bajo condiciones de carga máxima. Sin embargo, si el potencial AC está próximo a 15 V (por ejemplo, entre 12 y 14 V de AC) se deberán tomar acciones como si el potencial AC fuera de 15 V o superior. Medición del Potencial AC referido a Tierra. La medición de un potencial AC referido a tierra es similar al potencial estructura a suelo DC, en el sentido que el potencial es medido con respecto a un electrodo de referencia en el terreno. Hay algunas diferencias significativas tales como: • El voltaje medido puede ser peligroso y la seguridad es de suma importancia. No toque ningún metal en forma directa o a través de pinzas de los instrumentos, hasta estar seguro que no hay voltajes peligrosos. • El electrodo de referencia puede ser cualquier metal desnudo pero si se van a tomar también potenciales de una estructura, luego se podrá utilizar un electrodo de referencia standard. • La parte expuesta del electrodo de referencia no debe ser tocada y el electrodo debe ser instalado primero. Si se está utilizando un electrodo de cobre/sulfato de cobre saturado, el extremo deberá estar bien cubierto para evitar algún contacto accidental. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:28 • Los voltajes AC inducidos cambian con la carga de la línea de transmisión y bajo condiciones de falla de la línea. • Los voltajes AC cambian en tuberías aéreas, que están siendo construidas, a medida que la longitud crece durante las operaciones de soldadura. • Los voltajes AC inducidos pueden ser más altos en las discontinuidades entre la tubería y la línea de transmisión, esto es, cuando se aproximan entre sí, se alejan, o bien se cruzan. • Las mediciones deberían duplicar las tensiones de paso. Por lo tanto, el electrodo debería estar aproximadamente separado 1 metro del punto de contacto sobre nivel de la estructura. (a diferencia de los potenciales estructura a electrolito donde el electrodo de referencia es ubicado lo más cercano posible a la estructura). Mida el potencial AC de la estructura con respecto a tierra primero, para cerciorarse de que es seguro continuar con el trabajo. Primero, coloque el electrodo sobre el terreno aproximadamente a 1 (uno) metro del punto de contacto con la estructura y luego contacte la estructura con una punta de prueba debidamente aislada y coloque la posición de AC Voltios en el medidor. Si el voltaje de AC es 15 V o mayor, deje de trabajar hasta que el voltaje AC ha sido mitigado o bien, si Vd. está calificado, proceda con el análisis buscando la causa y los mejores métodos para mitigar esta situación. Bajo ningún concepto deberá tomarse contacto con la estructura. El personal calificado instalará tierras temporarias, mallas o bien cercos no metálicos en la zona de trabajo para evitar que la gente pueda tomar contacto con la estructura, hasta tanto no se haya instalado el equipo de protección. Mitigación de la Interferencia AC La principal causa de las corrientes vagabundas AC es la proximidad de las estructuras a líneas eléctricas AC, en especial si sus trazas corren paralelas por distancias relativamente largas. Si la estructura está lejos de la(s) línea(s) eléctrica(s), la interferencia virtualmente se elimina. Obviamente, este método de mitigación sólo es práctico en la etapa previa a la construcción ya sea de la estructura o de la(s) línea(s). Después de la construcción deben usarse otros métodos de mitigación. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:29 Algunos métodos para mitigar la AC son: • Separación significativa entre el tubo y el sistema de alta tensión (HVAC) • Poner a tierra el tubo usando ánodos galvánicos distribuidos • Aterrizar la tubería utilizando metales como el zinc, magnesio, acero o cobre. Elementos que impiden la circulación de DC tales como capacitores, celdas de polarización, o bien sustitutos de celdas de polarización (PCR), pueden ser conectados entre la tubería y una puesta a tierra separada, reduciendo los requerimientos de corriente de protección catódica cuando se utiliza un aterrizamiento de material más noble que el de la tubería. Estos elementos permiten que la corriente AC circule pero bloquean la corriente continua. • Dispositivos de protección para aislaciones, como bridas o uniones. • Sistemas de protección “step and touch” (mallas o grillas) La Figura 7.22 muestra que el voltaje inducido es menor si la estructura se vuelve conductora de electricidad con respecto a la tierra. Normalmente una estructura bien revestida estará sujeta a mayores voltajes inducidos. En líneas relativamente cortas, este efecto puede ser remediado usando ánodos de sacrificio distribuidos a lo largo de la estructura; los ánodos no sólo suministrarán suficiente corriente de protección catódica, sino que al mismo tiempo disminuirán la resistencia de la estructura con respecto a la tierra. Otra posibilidad es utilizar ánodos de zinc tipo cinta o planchuelas paralelos a la estructura como método de puesta a tierra. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:30 Línea de Transmisión Aérea AC Tubería Enterrada Ánodos de Sacrificio Distribuidos Sin Ánodos Con Ánodos Voltaje Inducido Distancia Figura 7.22 Mitigación de la Interferencia AC Utilizando Ánodos Galvánicos Distribuidos En líneas más largas, la solución es instalar puestas a tierra en las zonas de potenciales más altos, normalmente sobre las discontinuidades. En la Fig.7.22 un efecto similar podría ser alcanzado instalando grandes puestas a tierra sobre las dos zonas de voltajes pico. Aún con ánodos distribuidos, pueden presentarse voltajes peligrosos en los puntos de separación, que requerirán la instalación de más ánodos de sacrificio para reducir el voltaje AC a 15 voltios o menos. El personal a cargo de las mediciones de protección contra la corrosión debe tener conciencia del peligro de shock eléctrico que puede haber en una estructura sujeta a interferencia AC. Deben incorporarse precauciones en los sistemas de protección catódica, como estaciones de medición denominadas dead front, no-metálicas, y los rectificadores de protección catódica cercanos deben protegerse de corrientes de falla alternas con mecanismos del tipo de capacitores, celdas de polarización, y celdas de puesta a tierra de zinc. Los tubos camisa desnudos conectados a la estructura mediante una celda de polarización o una PCR, también son efectivos para mitigar la interferencia AC. Celdas de Polarización La Figura 7.23 muestra una celda de polarización utilizada como elemento para desacoplar la corriente continua (DC decoupler) que permite bloquear la corriente Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:31 continua necesaria para la protección catódica, al tiempo que permite pasar la corriente AC. La celda consiste en un recipiente relleno con una solución de hidróxido de potasio (el electrolito) en el que están inmersas planchas de acero inoxidable conectadas en forma alternada a los terminales de la celda. Uno de los terminales de la celda se conecta a la estructura y el otro a tierra (o, si se usa para proteger una junta aislante de la AC, los terminales se conectan a través de la junta). La celda actúa como un interruptor electroquímico para derivar el potencial a tierra. En condiciones normales, las planchas de la celda se polarizan y permiten el desarrollo de los potenciales de protección catódica normales. A medida que el voltaje aplicado a través de la celda aumenta, ya sea por AC o por DC, la película de polarización de las planchas se rompe y la celda virtualmente permite el paso de corriente. Las celdas deben estar bien ventiladas (para permitir que escapen los gases generados durante su funcionamiento) e inspeccionadas periódicamente para garantizar niveles adecuados de electrolito. Figura 7.23 Celda de Polarización Dispositivos Semiconductores Existen dispositivos de estado sólido que bloquean la corriente DC de protección catódica de bajo potencial, evitando que se pierda a través del aislante, mientras que al mismo tiempo suministran protección instantánea contra descargas de alto voltaje y AC inducida. Estos dispositivos no tienen electrolitos líquidos cáusticos y requieren poco mantenimiento. La Figura 7.24 muestra un elemento semiconductor de este tipo. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:32 Figura 7.24 Dispositivo Semiconductor para Controlar AC y Corriente de Falla (cortesía de Dairyland Electrical Industries) Grillas de Tierra (Ground Mats) Las grillas de tierra pueden ser necesarias para proteger al personal de shocks eléctricos mientras trabajan en tuberías bien revestidas. El potencial inducido a partir de líneas eléctricas AC y descargas eléctricas pueden generar grandes gradientes de voltaje entre una tubería y la tierra. Las grillas de tierra son conductores metálicos colocados en el suelo que rodea las locaciones en las que es probable que el personal entre en contacto con la tubería. Los cables de las estaciones de medición, válvulas de la tubería y otras aplicaciones constituyen ejemplos de locaciones peligrosas. La grilla de tierra se conecta al tubo, garantizando que el tubo y el suelo en esa zona tengan el mismo potencial eléctrico. No tiene como objetivo ser una puesta a tierra eléctrica ya que normalmente se instalan cercanas a la superficie a menudo en suelo de alta resistividad o bien suelo congelado. Las grillas de puesta a tierra frecuentemente están hechas de zinc u otro metal activo para no ser incompatibles con la protección catódica. Otros metales tales como cobre o acero pueden ser utilizados pero contribuirán muy significativamente a aumentar los requerimientos de protección catódica. Si están construidas de cobre u otro metal o aleación noble, debe aplicarse una protección catódica adecuada para eliminar la cupla galvánica corrosiva, o bien conectarse a través de algún elemento que bloquee la corriente continua. La Figura 7.25 muestra cómo se aplican las grillas de puesta a tierra, con anillos que se hacen más profundos cuando están a unos 15° hacia fuera de la estructura. Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:33 Hay que tener en cuenta que si se usa zinc o magnesio como material de la malla alrededor de una estación de medición, entonces el potencial instant OFF ya no es más válido desde el momento que no han sido desconectadas todas las corrientes continuas que recibe la estructura. Estación de Medición Tubería Recubierta Grilla de Tierra Conectada a la Tubería Figura 7.25 Típica Grilla de Tierra Usada para Proteger al Personal de un Posible Shock Eléctrico Corrosión por AC Al menos desde 1916 es sabido que la corriente AC descargada desde una estructura de acero provoca corrosión pero a una pequeña fracción de lo que ocurriría si se tratara de una cantidad equivalente de corriente continua (DC). También se estaba convencido de que los efectos de corrosión por AC podían ser superados con la aplicación de protección catódica. Sin embargo, en la década del 90 algunas fallas que tuvieron lugar en tuberías protegidas catódicamente comenzaron a ser atribuidas a la descarga de corrientes AC de carácter estacionario. Mientras que el mecanismo de corrosión por AC no es totalmente comprendido hasta aquí, parece existir una relación entre la densidad de corriente AC y la velocidad de corrosión y podría existir un umbral de densidad de corriente a partir del cual la corrosión por corriente AC comenzaría a tener lugar: iac < 20 A/m2 ……………………………………….Sin Corrosión 20 A/m2 < iac < 100 A/m2 …………………………. No predecible iac > 100 A/m2 ……………………………………… Es esperable Corrosión Los rangos citados más arriba son con la corriente de protección catódica aplicada. Esto significa, que la protección catódica puede ser de algún beneficio a Corrientes Vagabundas e Interferencia en PC 7:34 densidades de corriente AC bajas, pero la protección catódica no puede mitigar la corrosión de AC a elevadas densidades de corriente AC. La densidad de corriente es una función de la tensión de AC, el tamaño del holiday en el recubrimiento y la resistividad del suelo. Dado que estos dos normalmente están fijos, la forma de mitigar sería intentar reducir la tensión AC de la estructura con respecto al terreno. CAPITULO 8 Monitoreo y Registros Objetivos Principales de un Sistema de Protección Catódica Para que un sistema de protección catódica evite la corrosión en forma adecuada, debe cumplir los siguientes objetivos: • Suministrar suficiente corriente a la estructura a proteger. • Distribuir esta corriente de manera que se alcancen los criterios de protección catódica en forma eficiente. • Minimizar las corrientes de interferencia sobre estructuras enterradas cercanas y provenientes de otras fuentes de corriente continua. • Tener un sistema de ánodos con una vida útil acorde con la vida útil requerida de la estructura a proteger, o prever el eventual refuerzo del sistema de ánodos. • Prever los cambios en los requerimientos de corriente con el paso del tiempo. • Asegurarse de que los ánodos no sean perturbados ni dañados, y de que no haya otras estructuras instaladas cerca de ellos. • Garantizar que el sistema de PC funcione en forma continua. Monitoreo El objetivo de un sistema de protección catódica es garantizar que continúe operando a los niveles previstos. Para garantizar que, llegado el caso, el tiempo sin protección a la estructura sea mínimo, el primer paso consiste en realizar inspecciones frecuentes. El segundo paso consiste en contar con un rápido plan de respuesta para corregir problemas cuando los haya. CP 2–Manual del Curso de Técnico en Protección Catódica © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:2 Un programa de monitoreo complete incluye un relevamiento detallado de todo el sistema, con breves inspecciones entre uno y otro relevamiento. El relevamiento detallado establece si las condiciones permanecen constantes y si la salida de corriente sigue siendo la adecuada para alcanzar el criterio de protección catódica, y de no ser así, permite realizar los ajustes pertinentes. Las mediciones de rutina deben ser adecuadas, de manera tal de confirmar que el sistema sigue funcionando a los niveles previstos. Relevamiento de Campo Detallado Normalmente, las mediciones eléctricas se toman en la(s) fuente(s) de protección catódica y a lo largo de la estructura, a un espaciamiento lo suficientemente corto como para confirmar que ésta alcanza el criterio de protección. Si una parte del sistema está fallando, se requieren ensayos adicionales para localizar el problema o para determinar la corriente adicional requerida para alcanzar el criterio. Las industrias reguladas están obligadas a cumplir con requisitos mínimos e intervalos de inspección específicos, que varían según el país (Tabla 8.1). Planificación Previa al Relevamiento Antes de comenzar el relevamiento en campo, debe recolectarse y estudiarse toda la información disponible acerca de la estructura. Esto resulta muy útil en tanto que suministra los datos que pueden preverse durante el relevamiento. Las siguientes son las informaciones típicas que deben recolectarse antes de planificar y comenzar el relevamiento en campo, especialmente si se trata del primer relevamiento: • Material(es) de la estructura: por ejemplo, acero (incluyendo el grado del acero), hierro dúctil, hierro forjado, u otro material y su resistencia eléctrica conocida. • ¿La estructura está revestida o al desnudo? Si está revestida, ¿de qué material se compone el recubrimiento y cuáles son sus especificaciones? • Si se trata de una estructura existente, ¿existe un registro de pérdidas? De ser así, la información acerca de la ubicación y fecha de cada pérdida puede indicar las áreas más problemáticas. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:3 • Dimensiones de la estructura, como espesor de pared y peso por unidad de longitud. • Si corresponde, tamaño de tubos camisa (espero de pared o peso por pie), tipo de acero utilizado, datos acerca de los aislantes usados entre tubo y tubo camisa, especificaciones acerca de los sellos en los extremos del tubo camisa. En el caso de que el tubo camisa esté revestido, tipo de recubrimiento y especificaciones de aplicación. • Ubicación y detalles de construcción de todas las estaciones de medición instaladas sobre la estructura. De no haber puntos de medición, determinar las ubicaciones en las que puede hacerse contacto con la estructura a los fines de realizar mediciones. • ¿La estructura está soldada, o se usaron juntas mecánicas? • Ubicación de ramales de derivación o estructuras asociadas • Ubicación de bridas o juntas aislantes usadas para seccionar la estructura o para aislarla eléctricamente de otras partes del sistema o de estructuras foráneas. • Detalles y ubicación del sistema de protección catódica. • Mapas del sistema • Ubicación de las estructuras ajenas que pudieran verse afectadas, incluyendo la ubicación de las fuentes de protección catódica. • Ubicación de las estaciones de medición y otras instalaciones • Ubicación de posibles fuentes de corrientes vagabundas artificiales (como sistemas de transporte público a corriente continua u operaciones de minería) • Disponibilidad de provisión de energía AC para el caso que fuera necesario más corriente de protección. • ¿Hay alguna parte de la estructura que corra en paralelo cerca de (200 pies o menos) alguna línea eléctrica de alto voltaje (HVAC o HVDC)? De ser así, CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:4 ¿cuál es la longitud de esta exposición? ¿Cuál es la distancia de la estructura a las torres? ¿Qué voltajes y corrientes se asocian con la línea de AC? ¿Qué método se usa para poner las torres a tierra? ¿Hay algún sistema instalado de puesta a tierra para la tubería? Estos factores ayudan a determinar si puede haber tensiones inducidas en la estructura durante su construcción, mantenimiento o funcionamiento normal. Si existe la posibilidad de tensión inducida, la estructura debe considerarse como potencialmente riesgosa y debe evitarse el contacto con ella hasta haber medido su potencial AC. • ¿La estructura opera o se prevé que opera en algún momento a temperaturas elevadas? (Las temperaturas elevadas deterioran los recubrimientos y aceleran la corrosión.) Métodos para el Relevamiento Luego de obtener información acerca del background de la estructura, puede organizarse el relevamiento usando varios o todos los siguientes procedimientos (en forma separada o combinada). Los métodos elegidos y la relativa importancia de los datos obtenidos a partir de cada método dependerán de la situación específica. • Relevamiento de potencial ON/OFF o potencial ON estructura-electrolito • Relevamiento de corriente en la línea • Ubicación de aislaciones falladas • Medición de tubos camisa en cruces con rutas/ferrocarriles, si corresponde • Ensayos de conductancia del recubrimiento, si corresponde • Inspeccionar la corrosión A veces, nada satisfará al ingeniero de corrosión excepto observar directamente la estructura relevada. Este es un procedimiento aceptable y deseable para evaluar la severidad de las zonas corroídas detectadas mediante relevamientos a nivel. Puede destaparse e inspeccionarse la corrosión localizada (“Hot spot”) encontrada durante un relevamiento. Si se encuentran zonas en que los recubrimientos de la estructura tienen valores de resistencia inusualmente bajos, puede considerarse una CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:5 inspección a través de realizar perforaciones para rastrear las causas del daño al recubrimiento. Esto puede resultar especialmente valioso en el caso de recubrimientos más antiguos, para determinar la naturaleza del deterioro y como guía para seleccionar materiales para futuros recubrimientos. • Resistividad eléctrica del medio, si corresponde Además de constituir una ayuda valiosa para interpretar la severidad de las zonas corrosivas, un relevamiento de resistividades es extremadamente útil para elegir sitios para las futuras instalaciones de protección catódica. • Determinar la acidez o alcalinidad del medio En muchas zonas, un medio es aproximadamente neutro (pH 7). Algunas zonas tienen condiciones ambientales inusuales, que pueden ser tanto alcalinas como ácidas. Puede resultar útil verificar el pH del suelo. Los resultados podrían tener un efecto considerable sobre las ubicaciones elegidas para futuros rectificadores de protección catódica o ánodos galvánicos. Una condición especialmente ácida podría indicar la necesidad de una densidad de corriente relativamente elevada para mantener la protección catódica, por lo que probablemente sea deseable instalar la protección catódica en o cerca de las zonas con elevados requerimientos de corriente. • Determinar las condiciones que pueden promover la corrosión por bacterias anaeróbicas Algunas bacterias que se desarrollan en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno) pueden reducir sulfatos y consumir hidrógeno. El consumo de hidrógeno en la superficie de la estructura despolariza el acero en las zonas catódicas y facilita un consumo más rápido del metal por medio de celdas de corrosión galvánica. Entonces, no son las bacterias las que atacan directamente la estructura, pero sí generan las condiciones que conducen a un ataque más rápido por parte de las celdas de corrosión existentes, las cuales normalmente se encuentran parcialmente contrarrestadas por el desarrollo de una película de hidrógeno por polarización. Pueden exponerse e inspeccionarse las zonas en las que se sospecha corrosión anaeróbica. Si hay bacterias anaeróbicas presentes y activas, se encontrará una capa negra de sulfuro de hierro sobre la superficie de la CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:6 estructura. En estructuras con un recubrimiento bien adherido, este depósito se encontrará sólo en las fallas del recubrimiento. Si esta sustancia negra es efectivamente sulfuro de hierro y se la trata con una solución diluida de ácido clorhídrico, se liberará sulfuro de hidrógeno gaseoso, que puede reconocerse por su característico olor a huevos podridos. El efecto práctico de la actividad de bacterias anaeróbicas sobre la aplicación de la protección catódica, es un aumento de la cantidad de corriente requerida para mantener la protección catódica. • Evaluar los requerimientos de corriente para la protección catódica Durante un relevamiento, puede resultar deseable llevar a cabo un ensayo específico para determinar los requerimientos de corriente adicionales, si no se alcanza un criterio de protección catódica. Este ensayo consiste en forzar el flujo de corriente continua desde un dispersor temporario hacia la estructura estudiada y determinar cuánta corriente será necesaria para alcanzar un determinado nivel de polarización. • Uso de instrumentos de registro para estudiar condiciones de corrientes vagabundas dinámicas • Medición de Gradientes de Potencial en la Tierra Mediciones de Rutina El método que se use para realizar inspecciones de rutina variará según el tipo de estructura y de sistema de protección catódica. Por lo tanto, debe desarrollarse y ensayarse un plan a fin de cumplir con los objetivos. Este plan debe incluir: • • • • • El tipo de sistema de protección catódica El tipo de mediciones que deben realizarse La ubicación en la que deben realizarse las mediciones El tipo de equipo para realizar las mediciones La frecuencia de las mediciones. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:7 Ánodos de Sacrificio (Galvánicos) La mayor parte de los sistemas de ánodos de sacrificio (galvánicos) pueden inspeccionarse rutinariamente realizando mediciones de potenciales de referencia en ubicaciones críticas a lo largo del sistema. Como generalmente estos sistemas suministran bajos drenajes de corriente, un problema como un aislamiento en corto tendrá un impacto muy importante sobre los potenciales. Los potenciales de referencia son esencialmente un potencial estructuraelectrolito, aunque para estos fines puede usarse una estructura grande sin proteger como electrodo de referencia, y convertir los datos a la escala de un electrodo de referencia standard. Por ejemplo, puede usarse una gran tubería de agua sin proteger tomando un potencial de referencia a través de un dispositivo aislante entre la tubería de agua y un sistema de transporte de gas. No debe usarse una lectura obtenida con una referencia no standard para confirmar un criterio, pero sí puede usársela para predecir un cambio en el nivel de protección. Cuando hay otra estructura grande y desnuda conectada accidentalmente a una estructura protegida con un ánodo galvánico, el potencial estructura-electrolito se volverá naturalmente menos electronegativo, o más electropositivo. Este cambio en el potencial aumenta entonces la diferencia de potencial entre la estructura y el ánodo, aumentando así el potencial impulsor y, por ende, la corriente. Sistemas por Corriente Impresa Para los sistemas por corriente impresa, muchas veces se usa una combinación de inspecciones de la fuente de energía DC y de los potenciales de referencia. En el caso de una tubería de transporte en la que se prevén pocos problemas externos, puede resultar suficiente una inspección de las fuentes de corriente continua. Si existe la posibilidad de que haya aislaciones en corto o corrientes vagabundas, deben medirse también los potenciales de referencia. Las mediciones que se llevan a cabo para confirmar que una fuente de corriente continua está funcionando adecuadamente deberían incluir: • Corriente Continua • Voltaje DC • Configuración de la regulación (taps) CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:8 Estos se describen en mayor detalle en el Capítulo 4. La corriente DC es la medición principal, pero el voltaje DC, cuando se lo usa para calcular la resistencia anódica, ayudará a predecir futuras fallas anódicas. El aumento inicial de la resistencia es lento, pero a medida que los pocos ánodos restantes fallan, la resistencia aumenta a mayor velocidad. La regulación en el secundario del transformador (tap setting) indicará si alguien no autorizado ha ajustado modificado la misma. Si una fuente de corriente continua no es accesible en algunas épocas del año, pueden tomarse potenciales de referencia en un “Punto de Control”. Un “Punto de Control” se ubica de manera que la fuente de corriente continua (rectificador) en cuestión tenga una influencia importante sobre los potenciales. La influencia debe confirmarse apagando todos los rectificadores que afectan la zona y tomando mediciones de potencial ON/OFF, o instalando interruptores en los rectificadores con diferentes ciclos y haciendo un registro de datos en el Punto de Control. De esta forma, puede predecirse el estado de funcionamiento del rectificador a través de un análisis de los potenciales en el Punto de Control. Otro factor a tener en cuenta es que los potenciales estructuraelectrolito pueden cambiar según la estación del año. Es probable que una estructura desnuda en corto exceda la capacidad de un sistema de protección catódica por corriente impresa, provocando un desplazamiento electropositivo en el potencial estructura-electrolito. Como la resistencia anódica es la componente principal de la resistencia total en un sistema por corriente impresa, es probable que una pequeña reducción en la resistencia de la estructura no tenga un efecto apreciable en el drenaje de corriente de la fuente de corriente continua. Intervalo entre Inspecciones Las industrias reguladas están obligadas a inspeccionar los sistemas de protección catódica y realizar suficientes mediciones periódicas para asegurarse de que el sistema funciona como es debido. Esta práctica es recomendable para cualquier sistema de protección catódica, ya que ayuda a garantizar que el sistema de protección catódica continúa funcionando. Cuanto más frecuentes sean las mediciones, será más probable que la estructura reciba protección durante su vida útil. Por ejemplo, si un rectificador falla justo después de haberlo medido y no se descubre la falla durante dos (2) meses, y esto ocurre una vez por año, luego de doce (12) años la tubería habrá estado sin CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:9 protección por un período acumulado de dos (2) años. Este período podría reducirse a un (1) año/doce (12) años si se toman lecturas mensuales de los rectificadores. La Tabla 8.1 es un resumen de los intervalos entre inspecciones requeridos por distintas regulaciones CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:10 Tabla 8.1 Intervalos entre Inspecciones de la Protección Catódica para Tuberías Reguladas Regulación o Standard USA DOT 49CFR192 DOT 49CFR195 Canadá CSA Z662 (CGA OCC-1) Europa ISO 15589 Parte 1 Frecuencia de Relevamiento Detallado Frecuencia de Inspección de Rectificadores Control de Puentes de Drenaje para Controlar la Interferencia Una vez por año calendario, sin exceder intervalo de 18 meses Seis veces al año, sin Seis veces al año, exceder intervalo de sin exceder 2½ meses intervalo de 2½ meses Anual Mensual, sin exceder Bimestral las 6 semanas Instant OFF anual, excepto en sistemas estables, en que puede extenderse a una vez cada 3 años con potenciales ON entretanto 1 a 3 meses, dependiendo de las condiciones, como descargas atmosféricas, corrientes vagabundas, construcción Mensual Pueden considerarse mediciones menos frecuentes en base a resultados de relevamientos especializados Práctica de Industria NACE Standard SP0169 Anual. Períodos más o menos largos, según factores de seguridad, etc. Bimestral Bimestral Registros Es obligatorio que los registros sean completos y precisos. Hay razones técnicas, históricas y legales para llevar registros. Usted, en carácter de Técnico de PC, debe asumir total responsabilidad por la precisión y el alcance, tanto de sus registros como de los del personal a su cargo. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:11 Se invierte una gran cantidad de tiempo y esfuerzo en recoger esta información, y ésta será inútil si no está documentada en forma apropiada. Registros para Fines Técnicos Estos registros pueden usarse para: • Soporte técnico de protección catódica • Datos que deben presentarse a la supervisión de un regulador externo, en el caso de una industria regulada • Evaluación de recubrimiento • Análisis de corrientes vagabundas • Establecer la capacidad de la PC • Ubicación del equipo de PC con respecto a las estructuras Registros para Fines Históricos Debemos ser conscientes de que a lo largo de la vida útil del sistema, otros consultarán estos registros. A este fin, las explicaciones deben ser completas y exhaustivas, ya que pueden revisarse en una época futura en que el personal y las condiciones hayan cambiado. Los datos que hoy parecen obvios, pueden resultar fuentes de confusión más adelante. Las industrias reguladas deben mantener sus registros durante un período específico de tiempo, o durante toda la vida útil de la estructura. Más allá de esto, la información histórica es muy valiosa para: • • • • • determinar la vida útil del sistema de PC cambios que se hayan producido en el funcionamiento resolución de problemas determinar futuros requerimientos realizar una Determinación Directa de Corrosión Externa (External Corrosion Direct Assessment)(ECDA)1 • realizar una Determinación Directa de Corrosión Interna (Internal Corrosion Direct Assessment) (ICDA) 1 Ver NACE Standard SP0502, “Pipeline External Corrosion Direct Assessment Methodology,” un programa en cuatro etapas para determinar la integridad externa de la tubería, especialmente para tuberías que no pueden ser fácilmente inspeccionadas con herramientas inteligentes. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:12 Registros para Fines Legales Si bien esperamos que nunca haya un incidente, debemos estar preparados para mostrarnos diligentes y para presentar una defensa legal. Por ello, los registros deben ser impecables, que no dé lugar a críticas. Algunos puntos que deben tenerse en cuenta antes de archivar las notas: • • • • • • • • • ¿Los valores se registraron correctamente? ¿Se ha asignado la polaridad a todas las lecturas? ¿Se han indicado claramente las unidades (Voltios, Amperios, etc.)? Si corresponde, ¿se ha indicado claramente el electrodo de referencia usado? ¿Están listadas las ubicaciones exactas de las mediciones? ¿Se han descrito las estructuras sobre las que se han tomado las mediciones? ¿Los esquemas y mapas son precisos y actualizados? ¿Se han incluido descripciones del procedimiento para la resolución de problemas? ¿Se han documentado los datos de inspecciones? Planillas de Datos de Campo En las planillas de datos, siempre debe anotarse: el nombre de quien realiza la medición, la fecha, la hora y las condiciones climáticas, ya que éstas pueden afectar los datos recogidos y ayudar a explicarlos. Las mediciones deben incluir un registro preciso de: • Magnitud • Polaridad • Unidad • Tipo de electrodo de referencia, si corresponde ¡Sin todos estos datos, las mediciones no son muy útiles para fines industriales o legales, y se considerarán incorrectas en este curso! Los esquemas que muestran la disposición de la(s) estructura(s) deben completarse con la ubicación de las mediciones, cuya polaridad debe estar indicada. En las planillas de datos deben incluirse los nombres y números de serie de todos los instrumentos utilizados. Siempre indique cualquier condición inusual del sitio inspeccionado. Los datos deben ser legibles para tener algún valor. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:13 Registros en Computadora e Informes Hoy en día, casi todos los registros de corrosión se almacenan en bases de datos computarizadas. Por lo general, estas bases de datos muestran los puntos de ensayo, fecha del último ensayo, la medición propiamente dicha, si los datos cumplen o no con el criterio elegido, y cuándo debe efectuarse el próximo ensayo. Cuando es necesario, se imprimen los datos para que los técnicos los lleven al campo en los próximos ensayos planificados. Luego se ingresan los últimos datos obtenidos en la base de datos. También pueden generarse informes que muestren los puntos de ensayo que no cumplen con los criterios. Estos informes pueden llevarse al campo para resolución de problemas. Si usted ha recogido los datos mediante un data logger computarizado, puede ingresar directamente los datos a una computadora. Luego podrá generar gráficos e informes, o transferir la información al sistema de la compañía. Hoy en día, las compañías grandes, especialmente las responsables de operaciones en grandes áreas, utilizan el acceso a Internet para los datos relativos al control de corrosión. De esta manera, resulta posible que todos los datos estén disponibles para cada técnico de área sin tener que contar con grandes sistemas de computadoras en las oficinas locales. Mapas de Instalación y Documentación Las compañías que operan plantas enterradas, como tuberías o cables, tienen mapas que muestran la ubicación de estructuras, puntos de ensayo, instalaciones de protección catódica y otros datos. Esto también lo hacen muchas plantas industriales, refinerías, campus universitarios e instalaciones similares. Usted debe familiarizarse con lo que se muestra en estos mapas y ser capaz de trabajar con ellos en campo. Es fundamental documentar su trabajo. Los responsables de actualizar los mapas de instalaciones dependen de su información para mantener los mapas al día o para confeccionar nuevos mapas. Por lo tanto, los esquemas de instalaciones de control de corrosión deben ser precisos. De la misma manera, si usted participa en la reparación de estructuras o componentes de control de corrosión, deberá entregar información precisa. La precisión en la documentación de su trabajo es tan importante como la precisión en sus planillas de datos, como se dijo más arriba, en Planillas de Datos. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:14 Registros de Información Relacionada Inspección Directa Siempre que una estructura enterrada esté expuesta, se debe inspeccionar la corrosión y registrar los datos, aún cuando no se haya encontrado corrosión. Esta información podrá usarse luego para completar futuros análisis de la efectividad de los sistemas de protección catódica y de la integridad de las tuberías. Frecuencia de Pérdidas Los registros de pérdidas relacionadas con la corrosión son invalorables a la hora de evaluar la efectividad del programa y la integridad de la estructura (Figura 6.60). Mantener curvas de registros de pérdidas constituye un método que puede usarse para comprobar la efectividad de la protección catódica y también resulta útil para los propietarios de estructuras que no están reguladas por un ente gubernamental. Toda la información relativa al tipo y causa de la pérdida debe registrarse y guardarse. Inspección Interna Los resultados de una inspección interna y de las subsecuentes inspecciones con excavación resultan extremadamente valiosos para confirmar la efectividad de un programa de control de corrosión, además de confirmar la integridad de la tubería. Por desgracia, esto no confirma la efectividad hasta que la corrosión ha tenido oportunidad de prosperar, por lo que debe usarse junto con otros ensayos. Una vez que se confirma que no hubo corrosión a determinados potenciales, estos potenciales pueden tomarse como criterio efectivo para esas secciones específicas de la tubería. Almacenamiento Los datos deben almacenarse en forma predefinida, que facilite las futuras consultas. El tiempo de almacenamiento para las industrias reguladas está definido por las regulaciones; sin embargo, es recomendable mantener estos datos durante toda la vida útil del sistema, tanto para sistemas regulados como no regulados. Como se dijo antes, estos datos pueden resultar invalorables para un ECDA. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:15 Requerimientos Regulatorios para los Registros Cada país o región tiene sus propias regulaciones, y el técnico en PC debe estar familiarizado con las regulaciones aplicables a su zona. Por ejemplo, los que trabajen con sistemas regulados deben estar familiarizados con los siguientes códigos y standards aplicables. Registros de Pérdidas Estructura USA Tubería de gas Tubería de gas Tubo con líquidos peligrosos Tubo con líquidos peligrosos Canadá Europa Regulación Federal Title 49 CFR Part 191.23(a)(1) Title 49 CFR Part 192 Title 49 CFR Part 195.55 (a)(1) Almacenamiento Vida útil de la tubería Vida útil de la tubería Title 49 CFR Part 195.404(c)(1)(2) CSA Z662 ISO 15589 Part 1 Vida útil de la tubería Inspecciones a la Tubería Estructura USA Tubería de gas Regulación/Standard Title 49 CFR Part 192.491 Tubo con líquidos peligrosos Canadá Title 49 CFR Part 195 CSA Z662 Europa ISO 15589 Part 1 Almacenamiento Vida útil de la tubería Vida útil de la tubería Vida útil de la tubería Ubicación de Instalaciones de Protección Catódica Estructura USA Tubería de gas Tubo con líquidos peligrosos Canadá Regulación/Standard Title 49 CFR Part 192.491 Title 49 CFR Part 195.266(f) CSA Z662 (CGA cOCC-1) CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Almacenamiento Vida útil de la tubería Vida útil de la tubería Vida útil de la tubería Monitoreo y Registros 8:16 Ensayos, Relevamientos e Inspecciones Estructura USA* Tubería de gas Tubo con líquidos Peligrosos Tanques enterrados Regulación/Standard Title 49 CFR Part 192.465(a) and (e) Title 49 CFR Part 195.416(a) Title 40 CFR Part 280.34 Tanques sobre nivel Canadá API RP 651 CSA Z662 (CGA OCC-1) Europa ISO 15589 Part 1 Almacenamiento Vida útil de la tubería Vida útil de la tubería Vida útil de la tubería 5 años Vida útil de la tubería *Los ensayos de campo, incluyendo resistividad del suelo, pH, ensayos de requerimiento de corriente, relevamientos de detección de pérdidas, inspecciones al recubrimiento, ensayos periódicos de fuentes de energía, dispositivos internos para monitoreo de la corrosión, dispositivos para controlar las corrientes vagabundas y las evaluaciones del recubrimiento, deben mantenerse por 5 años según la 49 CFR Partes 192.455, 457, 461, 465, 416, 477, y 481. Sin embargo, esta información es útil para evaluaciones futuras y para una posible Determinación Directa de Corrosión Externa (ECDA), por lo que es inteligente guardar esta información durante toda la vida útil del sistema. Información Útil Otras informaciones útiles en un sistema que deben mantenerse y actualizarse incluyen: • Especificaciones del sistema y prácticas, según corresponda − Mapas del sitio − Fechas de construcción − Tubería, accesorios, etc. − Recubrimientos − Tubos camisa − Estaciones de medición − Dispositivos de aislamiento eléctrica CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:17 − Puenteos eléctricos − Cruces aéreos, sumergidos y puentes − Presupuesto del proyecto • Condiciones de la zona del sistema − Sistemas de protección catódica existentes y propuestos − Posibles fuentes de interferencia − Condiciones ambientales especiales − Estructuras metálicas enterradas cercanas (incluyendo ubicación, propietarios y prácticas de control de corrosión) − Accesibilidad a la estructura − Disponibilidad de energía − Posibilidad de aislamiento eléctrica de estructuras ajenas • Experiencia acerca de relevamientos de campo, datos de ensayos de corrosión y operación − Requerimientos de corriente de protección para alcanzar los criterios aplicables − Resistividad eléctrica del electrolito − Continuidad eléctrica − Aislamiento eléctrico − Integridad del recubrimiento − Historial acumulativo de pérdidas − Corrientes de interferencia − Desviación de las especificaciones de construcción − Otros datos de mantenimiento y operación • Otros − Datos obtenidos con diablos (también marranos, chanchos, cochinos, según los diferentes países de America Latina) inteligentes (smart pigs) − Registro de Excavaciones − Datos de cupones Algunos de los datos recolectados pueden analizarse usando gráficos o estadísticas para identificar los puntos que necesitan más atención. Por ejemplo, los datos de resistividad del suelo puede analizarse estadísticamente y graficarse para determinar las zonas con suelos particularmente corrosivos. Los datos relativos a la profundidad del picado (pitting) pueden analizarse estadísticamente para identificar las zonas con corrosión severa. Los registros CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009 Monitoreo y Registros 8:18 de pérdidas pueden graficarse como pérdidas acumuladas en función del tiempo, para identificar tendencias y priorizar las zonas que necesitan más atención. CP 2–Cathodic Protection Technician Course Manual © NACE International, 2006 7/2009
