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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
PROGRAMA PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS
DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON ÁNODOS DE
SACRIFICIO
JORGE CANTOR RODRÍGUEZ
NELSON ANÍBAL PINZÓN CASALLAS
Santafé de Bogotá D.C.
1.995
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
PROGRAMA PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS
DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON ÁNODOS DE
SACRIFICIO
Director: Ing. Gustavo Vila Casado
JORGE CANTOR RODRÍGUEZ
NELSON ANÍBAL PINZÓN CASALLAS
Trabajo presentado como requisito
para optar al título de ingeniero
químico.
Santafé de Bogotá D.C.
1.995
PÁGINA DE ACEPTACIÓN
Director
____________________
Ing. Gustavo A. Vila Casado
Jurado
____________________
Ing. Héctor A. Barrera Alfaro
Jurado
____________________
Ing. José Joaquín Fonseca
Dir. Curricular
____________________
Ing. Luis Carballo
A mi madre y a los demás
Jorge
A quienes ...
Impulsan mi espíritu al azul, me
inspiran para seguir el camino de
la preparación; dieran su vida
porque en ella avance y toda la
dicha porque yo la alcance...
A mis padres
Nelson
AGRADECIMIENTOS
Expresamos nuestro reconocimiento a todos aquellos que en una u otra forma
colaboraron en la realización de este proyecto, en especial al ingeniero Gustavo Vila
Casado por su valiosa y continua orientación durante la realización del mismo y a
nuestras familias quienes pacientemente acompañaron nuestra labor.
CONTENIDO
LISTA DE TABLAS ............................................................................................................IV
LISTA DE FIGURAS...........................................................................................................V
INTRODUCCIÓN ..............................................................................................................VI
1. GENERALIDADES ......................................................................................................... 1
1.1. FUNDAMENTOS DE CORROSIÓN ......................................................................... 1
1.1.1. Definición.................................................................................................................. 1
1.1.2. Mecanismo básico de la corrosión............................................................................ 2
1.2. PROTECCIÓN CATÓDICA....................................................................................... 5
2. PROTECCIÓN CATÓDICA CON ÁNODOS DE SACRIFICIO................................... 10
2.1. METALES ANÓDICOS............................................................................................ 12
2.1.1. Magnesio................................................................................................................. 13
2.1.2. Cinc ......................................................................................................................... 16
2.2. RELLENO ANÓDICO .............................................................................................. 18
2.3. VIDA DEL ÁNODO.................................................................................................. 19
2.4. CONDUCTORES ELÉCTRICOS............................................................................. 20
2.5. OTROS MATERIALES UTILIZADOS EN SISTEMAS CON ÁNODOS DE
SACRIFICIO............................................................................................................. 21
2.5.1. Conectores eléctricos .............................................................................................. 21
2.5.2. Resistencias eléctricas............................................................................................. 22
2.6. CAMBIOS EN LOS REQUERIMIENTOS DE CORRIENTE................................. 22
2.7. CRITERIOS DE PROTECCIÓN CATÓDICA......................................................... 23
2.8. REQUERIMIENTOS DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN................................... 25
2.9. RECUBRIMIENTOS................................................................................................. 27
II
2.10. RESISTIVIDAD ELÉCTRICA ............................................................................... 29
2.11. ESTRUCTURAS PROTEGIDAS CATÓDICAMENTE........................................ 30
2.11.1. Tuberías................................................................................................................. 31
2.11.1.1. Tuberías cortas - pequeñas................................................................................. 31
2.11.1.2. Tuberías cortas - grandes ................................................................................... 32
2.11.1.3. Tuberías grandes ................................................................................................ 32
2.11.1.4. Redes de tuberías ............................................................................................... 33
2.11.2. Tanques y soportes de tanques.............................................................................. 34
2.11.3. Otras estructuras.................................................................................................... 35
3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE............................................................. 37
3.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL SOFTWARE........................................ 38
3.2. ESTRUCTURA DEL SOFTWARE .......................................................................... 39
3.2.1. Módulos de cálculo................................................................................................. 47
3.2.1.1. Módulo de cálculo para tuberías.......................................................................... 47
3.2.1.2. Módulo de cálculo para fondo de tanques ........................................................... 48
3.2.1.3. Módulo de cálculo para otras estructuras............................................................. 50
3.3. PARÁMETROS DE DISEÑO................................................................................... 50
3.3.1. Entradas iniciales del programa.............................................................................. 50
3.3.1.1. Material de la estructura a proteger ..................................................................... 51
3.3.1.2. Área de la estructura a proteger ........................................................................... 51
3.3.1.3. Vida útil requerida del sistema............................................................................. 52
3.3.1.4. Resistividad del medio (ρ) ................................................................................... 52
3.3.1.5. Conductores eléctricos y espaciamiento entre ánodos......................................... 54
3.3.1.6. Densidad de corriente........................................................................................... 54
3.3.1.7. Otros parámetros.................................................................................................. 56
3.3.2. Base de datos........................................................................................................... 57
3.4. ALGORITMO DE CÁLCULO.................................................................................. 59
3.4.1. Determinación de los requerimientos totales de corriente...................................... 61
3.4.2. Inicialización del cálculo ........................................................................................ 62
3.4.3. Selección del material anódico y su tamaño........................................................... 62
3.4.4. Cálculo del peso del material anódico por lecho .................................................... 62
III
3.4.5. Cálculo de la resistencia total del conductor eléctrico............................................ 63
3.4.6. Cálculo de la resistencia ánodo - suelo................................................................... 64
3.4.7. Cálculo de la corriente drenada por la cama anódica.............................................. 66
3.4.8. Cálculo del tiempo de vida del lecho anódico ........................................................ 67
3.4.9. Cálculo del número de lechos ................................................................................. 67
3.4.10. Cálculo del espaciamiento teórico entre lechos anódicos..................................... 68
3.4.11. Criterios de convergencia...................................................................................... 68
3.4.11.1. Verificación de la longitud protegida................................................................. 68
3.4.11.2. Verificación del tiempo de vida del lecho anódico............................................ 69
3.4.11.3. Criterio de convergencia para optimización en tuberías.................................... 69
3.4.12. Método de aproximación ...................................................................................... 69
3.5. INTERFAZ USUARIA.............................................................................................. 70
3.5.1. Presentación de la información............................................................................... 70
3.5.2. Despliegue de ayudas.............................................................................................. 72
4. DISEÑOS PROTOTIPOS DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA ................ 73
4.1. EJEMPLO 1: DISEÑO DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA
PARA UNA TUBERÍA............................................................................................. 74
4.1.1. Resultados ............................................................................................................... 75
4.1.2. Análisis de resultados.............................................................................................. 78
4.2. EJEMPLO 2: DISEÑO DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA
PARA FONDOS DE UN GRUPO DE TANQUES.................................................. 80
4.2.1. Resultados ............................................................................................................... 81
4.2.2. Análisis de resultados.............................................................................................. 82
BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................ 85
LISTA DE TABLAS
TABLA 1. Serie galvánica práctica (suelos neutrales y agua) ..................................... 4
TABLA 2. Composición química porcentual de aleaciones de magnesio para ánodos
de sacrificio................................................................................................ 16
TABLA 3. Composición química porcentual de aleaciones de cinc para ánodos de
sacrificio..................................................................................................... 18
TABLA 4. Rellenos químicos para ánodos galvánicos ............................................... 19
TABLA 5. Potenciales recomendados para protección catódica ............................... 24
TABLA 6. Requerimientos de corriente para protección catódica............................. 26
TABLA 7. Densidades de corriente recomendadas para protección catódica........... 27
TABLA 8. Agresividad de los terrenos para estructuras de acero ............................. 30
TABLA 9. Dimensiones de tuberías de acero ............................................................. 53
TABLA 10. Resistencia de conductores de cobre para ánodos de sacrificio ............. 54
TABLA 11. Características de los ánodos de sacrificio ............................................. 57
TABLA 12. Dimensiones de ánodos de magnesio....................................................... 58
TABLA 13. Dimensiones de ánodos de cinc ............................................................... 58
TABLA 14. Parámetros de diseño para la protección catódica de una tubería
(ejemplo 1) ................................................................................................. 75
TABLA 15. Requerimientos de corriente de protección (ejemplo 1).......................... 76
TABLA 16. Resultados opción estándar ..................................................................... 77
TABLA 17. Resultados opción Mg H-1....................................................................... 77
TABLA 18. Resultados opción Mg-High potential de 32 lb........................................ 77
TABLA 19. Resultados opción Mg H-1 de 32 lb......................................................... 78
TABLA 20. Número de ánodos calculados ( ejemplo 1 )............................................ 79
TABLA 21. Resultados para el sector 1 (ejemplo 2)................................................... 81
TABLA 22. Resultados para el sector 2 (ejemplo 2)................................................... 81
TABLA 23. Número de ánodos calculados ( ejemplo 2 )............................................ 82
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1. Diagrama general de Pourbaix................................................................. 6
FIGURA 2. Diagrama general de Evans para un sistema de corrosión...................... 7
FIGURA 3. Protección catódica por corriente impresa............................................... 9
FIGURA 4. Protección catódica con ánodos galvánicos ........................................... 11
FIGURA 5. Diagrama general de flujo ...................................................................... 40
FIGURA 6. Diagrama de flujo para módulos de manejo de archivos ....................... 41
FIGURA 7. Diagrama de flujo para los módulos de base de datos ........................... 42
FIGURA 8. Diagrama general de flujo para los módulos de diseño ......................... 43
FIGURA 9. Diagrama de flujo de las subrutinas de los módulos de diseño.............. 44
FIGURA 10. Diagrama de flujo para el manejo del menú en los módulos de diseño 45
FIGURA 11. Diagrama de flujo de las subrutinas básicas ........................................ 46
FIGURA 12. Esquemas de distribución de camas anódicas para la protección
externa de fondos de tanques. ................................................................ 49
FIGURA 13. Características geométricas de los ánodos de sacrificio...................... 59
FIGURA 14. Gráfica de resultados ( ejemplo 1 )....................................................... 79
FIGURA 15. Gráfica de resultados (ejemplo 2: sector 1).......................................... 83
FIGURA 16. Gráfica de resultados (ejemplo 2: sector 2).......................................... 83
INTRODUCCIÓN
El desarrollo industrial del país durante los últimas décadas ha motivado la
construcción e instalación de diferentes tipos de estructuras metálicas de las cuales
por factores técnicos y ambientales un gran porcentaje son subterráneas;
considerando que la corrosión suele ser relativamente alta en éste tipo de estructuras
se hace vital la presencia de un control adecuado de la misma; dentro de los métodos
utilizados para ello el más apropiado es la protección catódica.
La técnica de protección catódica la inició Sir Humprey Davy en el año de 1824,
instalando ánodos de una aleación de cinc en el casco de los buques navales. La
aplicación de la protección catódica a estructuras subterráneas surgió en Estados
Unidos e Inglaterra alrededor de 1910, hoy en día su uso es casi universal.
Actualmente el dimensionamiento de sistemas de protección catódica en el país se
realiza utilizando ecuaciones empíricas ya comprobadas combinadas con algunas
consideraciones básicas lo que en conjunto constituye un proceso muy dispendioso
del cual la realización de cálculos repetitivos ocupa la mayor parte.
VII
Con el fin de reducir al mínimo los cálculos de diseño se pueden implementar ayudas
computacionales. Las herramientas computacionales en cualquier proceso de diseño
cubren un amplio espectro: desde programas para la simulación y modelamiento
numérico de geometrías muy particulares hasta programas para la realización de
alguna parte de los cálculos. En el diseño de sistemas de protección catódica dada la
gran variedad de materiales, geometrías y criterios prácticos que se consideran, lo
más recomendable es crear programas de aplicación general que permitan integrar las
ecuaciones anteriormente descritas con los criterios existentes; considerando ésto se
desarrolló y elaboró un software para el diseño de sistemas de protección catódica
con ánodos de sacrificio, buscando que los sistemas dimensionados presenten un
mayor nivel de análisis, pudiendo ser optimizados. El software elaborado se
encuentra en el disquete incluido en el presente trabajo.
El trabajo esta dividido en cuatro capítulos, en el primero se presentan los
fundamentos teóricos de la corrosión y la protección catódica. En el segundo capítulo
se trata el tema de la protección catódica con ánodos de sacrificio incluyendo los
criterios de diseño utilizados y los diversos tipos de estructuras metálicas enterradas
que se pueden proteger. En el tercer capítulo se da una descripción general del
software (información requerida, proceso de cálculo, estructuración e interfaz).
Finalmente en el cuarto capítulo se incluyen diseños prototipos que muestran la
aplicación del software.
1. GENERALIDADES
1.1. FUNDAMENTOS DE CORROSIÓN
1.1.1. Definición
La corrosión puede definirse como la degradación de un metal por la interacción con
el medio que lo rodea. De acuerdo con el tipo de interacción la corrosión será
química o electroquímica; la primera implica la reacción del metal con un medio no
iónico y se presenta a elevadas temperaturas; la segunda involucra en forma
simultánea un transporte de electricidad a través de un electrolito, generando una
disminución espontánea en la energía de la celda o pila de corrosión, a éste grupo
pertenecen la corrosión atmosférica, la corrosión en soluciones salinas, en agua de
mar, en soluciones ácidas y la corrosión en suelos entre otras. En cualquiera de los
casos se presenta una transformación del metal a su forma nativa como mineral. La
corrosión en sentido más amplio es un fenómeno natural, por medio del cual los
sistemas químicos expresan su tendencia hacia un estado de equilibrio estable [13].
2
1.1.2. Mecanismo básico de la corrosión
Para que un proceso de corrosión electroquímico se presente son necesarias
condiciones tales como:
1. Un ánodo y un cátodo.
2. Una diferencia de potenciales entre el ánodo y el cátodo, la cual puede deberse a:
• Contacto entre metales diferentes.
• Variación en la composición química en diferentes puntos sobre la superficie de
un metal.
• Imperfecciones superficiales del metal.
• Tensiones residuales como resultado de los procesos de fabricación.
• Presencia de bacterias sulfato reductoras.
3. Conexión eléctrica entre el cátodo y el ánodo (generalmente están en la misma
estructura).
4. El ánodo y el cátodo deben estar en contacto con un electrolito. La humedad
atmosférica o del suelo satisfacen ésta condición [17].
Una vez alcanzadas éstas condiciones en el ánodo el metal se corroe o disuelve, ésto
puede visualizarse como el paso del metal a un ión metálico o como la pérdida de uno
o más electrones del átomo metálico, lo que eléctricamente puede escribirse como:
M M
n+
+ ne
-
metal ión metálico electrones
como etapa posterior a ésta reacción el ión metálico pasa al estado mineral de menor
potencial, generalmente a óxidos.
3
En el cátodo el metal no reacciona pero sobre su superficie se presentan reacciones de
reducción, que dependiendo del electrolito serán:
• Desprendimiento de hidrógeno en medios acuosos:
2 H
+
+ 2 e
-
H2 ↑
• Reducción del oxígeno si éste esta presente en medios neutros o alcalinos:
2 H2O + O2 + 4 e
-
4 OH
-
• Reducción del oxígeno si esta presente en medios ácidos y aireados, la cual puede
darse en forma simultánea con el desprendimiento de hidrógeno.
O2 + 4H
+
+ 4 e
-
2 H2O
La diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo es la diferencia algebraica de sus
potenciales individuales en relación con un mismo electrodo de referencia. Como
normalmente no se emplean metales puros sino aleaciones, es fundamental conocer el
comportamiento electroquímico de dichos materiales, por ello se han desarrollado las
series galvánicas prácticas en diversos electrolitos, como la presentada en la Tabla 1,
donde los metales con menores potenciales se denominan activos o anódicos y se
oxidan cuando se encuentran unidos a metales de mayor potencial.
La velocidad de disolución de un metal es directamente proporcional a la cantidad de
corriente que fluye y la cantidad total de metal disuelto es proporcionar a la cantidad
de electricidad que ha circulado por él; según la ley de Faraday [11].
4
TABLA 1. Serie galvánica práctica (suelos neutrales y agua)
METAL POTENCIAL (V)1
Magnesio comercialmente puro - 1.75
Aleación de magnesio (6 % Al, 3 % Zn, 0.15 % Mn) - 1.6
Cinc - 1.1
Aleación de aluminio (5 % Zn) - 1.0
Aluminio comercialmente puro - 0.8
Acero medio - 0.5 a - 0.8
Hierro dulce - 0.2 a - 0.5
Hierro fundido - 0.5
Plomo - 0.5
Acero en concreto - 0.2
Cobre, latón y bronce - 0.2
Hierro fundido alto silicio - 0.2
Acero inoxidable - 0.2
Carbón, grafito y coque + 0.3
La velocidad de corrosión disminuye como resultado de los efectos de los productos
de las reacciones anódicas y catódicas; es posible medir éstos efectos en términos de
potencial del metal sobre el cual están ocurriendo las reacciones, de tal forma que el
potencial de la superficie del metal catódico cambia a un valor menos noble y de
igual forma en la superficie anódica se observa que el cambio de potencial es en
sentido contrario, aumenta a un valor más noble. Ésta variación en el potencial de los
electrodos, cuando circula corriente por ellos se conoce como polarización.
1
Referido al electrodo de cobre / sulfato de cobre
5
1.2. PROTECCIÓN CATÓDICA
Existen diversas formas de prevenir la corrosión que dependen de la naturaleza de la
misma; la prevención de la corrosión puede llevarse a cabo en el diseño de los
equipos, con uso de técnicas electroquímicas o por acción sobre el medio de trabajo.
Dentro de las técnicas electroquímicas de control de la corrosión la protección
catódica es tal vez el más eficaz e importante de los métodos de protección, ya que
puede aplicarse para evitar la corrosión de todos los metales y aleaciones
estructurales; al mismo tiempo que puede eliminar los efectos de corrosión por baja
tensión, corrosión con fatiga y el ataque en forma de picadura. El mecanismo de éste
sistema de protección se basa en la polarización catódica del metal a proteger
mediante la acción de una corriente continua externa la cual lleva el potencial de la
superficie del metal hasta un valor de potencial de protección; esto es, bajar el
potencial del metal a proteger hasta un valor en el cual no se corroa; de acuerdo con
la Figura 1 es llevar el potencial del metal desde el punto A en la zona de corrosión
hasta un punto B en la zona de inmunidad de un diagrama de potencial - pH,
comúnmente denominado diagrama de Pourbaix.
Otra forma de observar el proceso de corrosión es mediante el análisis del diagrama
de Evans (Figura 2), el cual se obtiene al graficar la curva de polarización catódica
para el proceso de reducción y la curva de polarización anódica para el proceso de
disolución del metal, donde el punto de intersección de las curvas proporciona la
velocidad de corrosión; se observa, que si el potencial se incrementa de Ecorr a A, la
6
velocidad de disolución del metal aumenta de icorr a iA1 y la velocidad del proceso de
reducción decrece desde icorr a iA2.
CORROSIÖN
A
PASIVACIÓN
INMUNIDAD
BE
pH
FIGURA 1. Diagrama general de Pourbaix
Por otro lado si el potencial se disminuye hasta B, la velocidad de disolución del
metal disminuye desde icorr hasta iB1 y la velocidad del proceso de reducción aumenta
de icorr a iB2. Sin embargo ni el potencial A ni el potencial B pueden alcanzarse en
forma espontánea, dado que en el primer caso hay un exceso de electrones liberados
iA1-iA2 (ineta = iA - | iB| ), estos electrones extras deben retirarse a través de un circuito
externo y en el segundo caso se presenta una deficiencia de electrones por consumo
iB2 - iB1, esta deficiencia se suple a través de un circuito externo. En general para
alcanzar potenciales por encima de Ecorr, los electrones deben retirarse del metal y
para situar el potencial por debajo de Ecorr, es necesario suministrar electrones.
Con base en el diagrama de Evans puede afirmarse que al potencial de corrosión,
Ecorr, las velocidades de las reacciones anódica y catódica son iguales en magnitud
pero de signos opuestos y que esta velocidad es igual a la velocidad de corrosión
natural o libre. También se deduce que por debajo de Eeqa es termodinámicamente
7
imposible que ocurra la disolución del metal. De igual forma por encima de Eeqc, la
reacción catódica no sucede [17].
Eeqa
Eeqc
A
Curva de polarización
catódica
E
Ecorr
icorr log |i|
iA1iA2
iB1iB2
B
Curva de polarización
anódica
FIGURA 2. Diagrama general de Evans para un sistema de corrosión
La corriente continua externa se descarga por medio de una conexión enterrada (cama
anódica enterrada), durante la descarga de corriente los materiales de la cama están
sujetos a la corrosión a velocidad más baja que la usualmente presentada por los
metales de las estructuras que se protegen; por lo tanto, puede decirse que la
protección catódica en términos estrictos no elimina la corrosión, sino que la desplaza
de la estructura y la concentra en otro sitio conocido [11].
El fenómeno de protección catódica puede examinarse a partir de la ecuación
fundamental de corrosión como se muestra a continuación:
I =
R
Ea - Ec
Donde:
8
I = corriente de corrosión que fluye del ánodo hacia el cátodo.
Ea - Ec = diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo en la misma estructura.
R = suma de la resistencia de salida de la corriente del ánodo hacia el electrolito, con
la resistencia de entrada de la corriente del electrolito hacia el cátodo.
Por la ecuación, verificamos que cuando existe una diferencia de potencial (Ea - Ec)
sobre la superficie de una estructura enterrada y cuando la resistencia ( R ) posee un
valor finito, la corriente de corrosión ( I ) fluye, generando el proceso corrosivo en el
área anódica; de tal forma que la corrosión se anula haciendo la diferencia de
potenciales entre el área anódica y catódica igual a cero o aumentando infinitamente
el valor de la resistencia, lo que puede conseguirse mediante la aplicación de un
revestimiento perfecto; solución económicamente inviable. Para la protección de
estructuras con máxima economía son usados los esquemas mixtos de protección, los
cuales consisten en emplear un revestimiento con buenas características aislantes y de
bajo costo complementado con un sistema de protección catódica [5].
Para la aplicación de un sistema de protección catódica existen dos técnicas: el
método galvánico o con ánodos de sacrificio, el cual se tratará en el siguiente capítulo
y el método por corriente impresa. En la protección catódica por corriente impresa el
suministro de corriente directa se realiza desde de una fuente externa de fuerza
electromotriz generalmente rectificadores. En conjunto con los rectificadores, el
método por corriente impresa utiliza ánodos, en cuanto sea posibles inertes tanto en
agua como en suelo, una instalación típica de corriente impresa puede observarse en
la Figura 3.
9
Redes eléctricas
Rectificador
Nivel del suelo
Estructura metálica Cama de ánodos
(-) (+)
FIGURA 3. Protección catódica por corriente impresa
Es necesario realizar consideraciones tanto técnicas y como económicas al hacer la
selección de cual método de protección catódica sería el más recomendable; dado que
cada método presenta ventajas y desventajas características.
2. PROTECCIÓN CATÓDICA CON ÁNODOS DE
SACRIFICIO
En la protección catódica con ánodos de sacrificio la corriente necesaria para la
protección se logra uniendo la estructura a proteger a un ánodo galvánico haciendo
innecesario el uso de una fuente eléctrica externa. El ánodo galvánico o electrodo
auxiliar es un metal más electronegativo que la estructura a proteger y cuando se une
a ella, dentro de un electrolito como el suelo o el agua, adquiere comportamiento
anódico, liberando la corriente necesaria para la protección de la estructura,
formándose así una pila galvánica, como se muestra en la Figura 4.
La corriente emitida por el ánodo penetra la estructura a través del suelo o el agua,
eliminando las corrientes de corrosión y retornando a su punto inicial por medio de
un conductor, generalmente de cobre.
Para la protección de estructuras enterradas se emplean eficazmente los ánodos de
magnesio y de cinc y para estructuras inmersas se utilizan ánodos de aluminio y en
algunas ocasiones de cinc.
11
Nivel del suelo
Estructura Metálica
Cama Anódica
Relleno
Ánodo
Conductor de cobre
Flujo de Corriente
FIGURA 4. Protección catódica con ánodos galvánicos
Los ánodos galvánicos se entierran en conjunto con una mezcla (generalmente yeso,
bentonita y sulfato de sodio), que se utiliza como relleno conductor, cuyo fin es
disminuir la resistividad eléctrica ánodo - suelo, reducir los efectos de polarización
del ánodo y garantizar un desgaste uniforme en toda la superficie anódica.
Las características más importantes de un ánodo galvánico son: su potencial en
circuito abierto (potencial medido con respecto al suelo, utilizando un electrodo de
referencia), su contenido teórico de energía (expresado normalmente en A - hr / kg) y
su eficiencia.
Las principales ventajas de la utilización de los ánodos galvánicos para proteger una
estructura enterrada frente al uso de corriente impresa son:
• No requiere suministro de corriente alterna.
• Los costos de mantenimiento e instalación son más bajos.
12
• Raramente aparecen problemas de interferencia con otras estructuras metálicas
enterradas.
• Utilización más eficiente de la corriente de protección.
Por otra parte presenta desventajas tales como:
• La cantidad de corriente suministrada a una estructura metálica esta limitada por la
diferencia de potencial entre los ánodos y la estructura.
• La protección será más difícil si las resistividades eléctricas del suelo local no son
suficientemente bajas.
• Los costos de implementación de un sistema de ánodos galvánicos serán muy altos
si los requerimientos de corrientes son grandes, ésto es, si el recubrimiento se halla
en mal estado o la estructura es de grandes dimensiones, como en el caso de
oleoductos y otros sistemas de transporte con diámetros considerables.
• Si la estructura metálica se encuentra influenciada por fugas de corriente
provenientes, por ejemplo, de líneas de alta tensión, los ánodos galvánicos serán
poco eficientes [5].
El método de protección catódica con ánodos galvánicos o de sacrificio normalmente
se escoge cuando se requiere poca cantidad de corriente para proteger estructuras, lo
que se da con revestimientos de buena calidad y en estructuras de pequeñas
dimensiones y cuando el suelo en el cual se ubica la estructura tiene baja resistividad
eléctrica, normalmente inferior a 6000 ohm - cm.
2.1. METALES ANÓDICOS
Los metales más comúnmente usados como ánodos galvánicos son el magnesio, el
cinc y el aluminio, éste último tiene teóricamente un contenido mayor de energía que
13
los dos primeros, pero hasta ahora no ha encontrado una aplicación práctica en
estructuras enterradas, por su baja eficiencia en suelos, por ende no será considerado
en el proyecto.
2.1.1. Magnesio
El magnesio puro permite manejar un voltaje de 850 mV para la protección de acero,
pero experimentalmente se ha demostrado una muy rápida corrosión con muy baja
eficiencia. Algunas aleaciones comerciales con aproximadamente 150 mV menos de
voltaje manejado se han ensayado demostrando ser satisfactorias en una gran
variedad de electrolitos. Estas aleaciones han sido utilizadas extensivamente en la
fabricación de ánodos de sacrificio.
El magnesio y muchas de sus aleaciones bajas se corroen rápidamente en soluciones
acuosas, el metal puro se disuelve en ácido con rápida evolución de hidrógeno y
desprendimiento de calor, el metal no es anfótero y no es fuertemente atacado por
álcalis.
En electrolitos acuosos la disolución se presenta con desprendimiento de iones
hidrógeno, de acuerdo con:
Mg + 2 H
+
Mg
++
+ H 2↑
la reacción es un proceso irreversible en un potencial menos negativo que el sugerido
por la teoría y porque en ésta la concentración de la sal metálica dentro del electrolito
14
tiene poco efecto sobre el potencial del metal. Tres propiedades del magnesio lo
hacen utilizable como ánodo de sacrificio: posee un alto manejo de voltaje para la
protección de acero, tiene un bajo equivalente electroquímico y tiene buenas
propiedades de polarización anódica. El potencial de un pedazo de magnesio puro
inmerso en una solución de sal acuosa diluida es -1.70 V respecto al electrodo de
cobre/sulfato de cobre. Así, éste es anódico respecto a los metales comunes acero,
plomo, aluminio, cobre y cinc.
Si la corrosión del magnesio se considera como una reacción divalente, entonces su
equivalente electroquímico teórico es de 1000 A - hr / lb o 9 lb / A - año. Algunos
duplican estos valores pero sobre una reacción monovalente manejando 500 A - hr /
lb o 17.5 lb / A - año. Eficiencias mayores al 50 % rara vez son reportadas. La
oxidación de la forma monovalente a la divalente puede ocurrir, pero ésta reacción no
contribuye al uso de corriente del ánodo.
Los productos de la reacción anódica producen una elevada solubilidad de cloruros y
sulfatos, cuya presencia impide la polarización. En agua fresca o en electrolitos en los
cuales no se contenga ninguno de estos iones el hidróxido y el carbonato pueden
formarse, pero estos no polarizan notablemente el ánodo, la introducción de muy
pequeñas cantidades de iones sulfatos o cloruros producen la inmediata
despolarización.
15
Éstos iones se adicionan dentro del electrolito como relleno cuando se espera
deficiencia, el metal se consume unifórmente pasando a ser una esfera. Existen tres
factores que influyen sobre la eficiencia del magnesio como metal anódico:
1. Densidad de corriente:
2. Composición del ánodo.
3. Medio ambiente.
La eficiencia se incrementa a altas densidades de corriente pero generalmente la más
alta eficiencia se obtiene con densidades por encima de 100 mA / pie2
.
Ciertas aleaciones de 6 % de Al y 3 % de Zn (magnesio bimetálico) permiten
alcanzar eficiencias más altas que el magnesio sólo, la razón de esto es la menor
velocidad de corrosión parásita en las aleaciones. Metales más nobles particularmente
aquellos con voltaje superior al del hidrógeno, pueden causar la corrosión parásita; el
cobre, hierro y níquel, son impurezas de ésta clase encontradas en el magnesio
comercial. Los metales como plomo, estaño, cadmio y cinc parecen tener poca
influencia sobre el comportamiento del ánodo. Dos series de aleaciones de ánodos
son empleadas; en suelos. particularmente de alta resistividad se usan ánodos de alta
pureza y en agua de mar se utilizan ánodos de baja pureza que son más económicos.
Los ánodos de alta pureza más recientemente desarrollados incluyen 1 % de Mn en
lugar de Al y Zn permitiendo manejar 200 mV más de voltaje e incrementando por
encima de 25 % el voltaje para el acero polarizado. En la Tabla 2 se presenta las
aleaciones de mayor uso en la fabricación de ánodos de magnesio.
16
TABLA 2. Composición química porcentual de aleaciones de magnesio para
ánodos de sacrificio
ELEMENTO ELEMENTAL BIMETÁLICO ELECTROLÍTICO COMPOSICIÓN
OPTIMA
Al 0.003 3.5 - 6.7 2.6 - 3.5 2.6 - 6.7
Zn — 2.5 - 3.5 0.9 - 1.2 0.9 - 3.5
Mn 0.8 > 0.15 > 0.15 > 0.2
Si 0.005 < 0.3 < 0.3 < 0.1
Cu 0.003 < 0.05 < 0.05 < 0.05
Ni 0.001 < 0.03 < 0.03 < 0.02
Fe 0.03 < 0.003 < 0.003 < 0.03
Po — — — < 0.04
Sn — — — < 0.05
Be — — — < 0.0028
El magnesio bimetálico comercialmente se conoce como magnesio H-1 y el magnesio
electrolítico como magnesio high potential.
2.1.2. Cinc
El cinc puede dar un potencial de -1.10 V respecto al electrodo de cobre / sulfato de
cobre y manejar voltajes de 0.25 V en la protección catódica del acero. La corrosión
del cinc se lleva a cabo por una reacción divalente, con una eficiencia cercana al
100%. El consumo teórico del ánodo es de 23 lb / A - año y en la práctica de 25 lb / A
- año son consumidas. El cinc suspendido en agua o enterrado no se corroe
rápidamente por reacciones parásitas y los ánodos de aleaciones mantienen altas
eficiencias a muy bajas densidades de corriente. La corrosión del cinc es muy
17
uniforme, aunque ánodos de alta pureza dejan una gran superficie granular visible
que ocasiona pérdida adicional del metal hacia el final de la vida del ánodo, por
aislación eléctrica ocurrida entre los granos.
El comportamiento de un ánodo de cinc depende de dos parámetros, la aleación
particular de cinc usada para su fabricación y el medio dentro del cual se ubica. Si
una varilla de cinc con algunas ppm de cualquier impureza se usa como ánodo, ésta
polariza cerca de 20 mV dando un excelente comportamiento, presentando un
consumo bajo independiente de las variaciones en la densidad de corriente. Las
propiedades y composiciones de las aleaciones de cinc usadas en ánodos de sacrificio
se han dividido en dos grupos, de acuerdo con que se utilicen en el mar o en otro
electrolito. En suelos o rellenos, el cinc con 99.99 % de pureza es empleado
satisfactoriamente. En la Tabla 3 se presentan las aleaciones típicas para ánodos de
cinc.
El bajo voltaje manejado limita el uso del cinc a suelos con una baja resistividad,
excepto cuando se utiliza para proteger estructuras muy bien recubiertas. El cinc es
sensible a la temperatura presentando inversión del voltaje manejado en relación con
el acero a 70 °C en agua; por lo cual el cinc no puede emplearse para la protección de
cilindros de almacenamiento de agua caliente [11].
18
TABLA 3. Composición química porcentual de aleaciones de cinc para ánodos de
sacrificio
ELEMENTO ALTA PUREZA MUY ALTA
PUREZA
Zn 99.9 99.99
Pb 0.07 0.006
Fe 0.02 0.005
Cd 0.07 0.004
2.2. RELLENO ANÓDICO
La efectividad de operación de los ánodos de sacrificio instalados directamente en
tierra es baja, debido principalmente a la formación de películas de los productos de
la corrosión en su superficie; además se presenta la corrosión rápida y total de los
ánodos de sacrificio, debido a las variaciones del suelo.
Para una mejor operación en instalaciones enterradas, los ánodos se rodean de
materiales que los mantengan en estado activo ( relleno anódico o backfill ), lo cual
evita la formación de las películas de los productos de corrosión, disminuyendo
además la disolución del metal anódico y la resistencia a tierra.
Para cada metal que se utiliza como ánodo de sacrificio existe una composición
optima del relleno químico, sin embargo, el componente básico es el yeso, debido a
su bajo costo y a que su poca solubilidad en el agua permite utilizarlo por un largo
periodo sin que requiera cambiarlo. En la Tabla 4 se observan las mezclas más
frecuentemente utilizadas; en suelos de baja humedad se emplea el relleno tipo A, el
19
cual permite mantener características de humedad apropiadas por su alto contenido de
bentonita, el relleno B comúnmente empleado para los ánodos de cinc, la mezcla tipo
C se emplea para ánodos de cinc o magnesio en suelos muy húmedos o pantanosos
para evitar el posible arrastre del relleno, el relleno D por su baja resistividad es
empleado en suelos de muy alta resistividad para reducir la resistencia ánodo - suelo.
Es posible encontrar el relleno asociado con el ánodo galvánico, lo que comúnmente
se denomina “ánodo empacado”.
TABLA 4. Rellenos químicos para ánodos galvánicos
TIPO YESO % BENTONITA % SULFATO DE
SODIO %
RESISTIVIDAD
( ohm - cm )
A 25 1
75 0 300
B 50 1
50 0 300
C 50 2
50 0 300
D 75 1
20 5 50
1
Yeso hidratado
2
Yeso moldeado
2.3. VIDA DEL ÁNODO
El ánodo dará un tiempo de vida razonable si puede mantener sus propiedades
electroquímicas y su consumo es suficientemente lento. El tiempo de vida puede
depender de la velocidad de disolución del metal de acuerdo con la ley de Faraday y
la eficiencia con la cual éste proceso ocurre; definiéndose ésta como la carga de A -
hr real sobre la teórica; la baja eficiencia puede ser ocasionada por la corrosión
parásita, la cual causa la corrosión del ánodo sin liberar completamente la corriente.
20
Un importante parámetro en la determinación de la vida útil del ánodo es la velocidad
de consumo del volumen del metal anódico, la que se halla influenciada por la forma
y tamaño del ánodo más que por su masa, la cual afecta su resistencia dentro del
electrolito.
El consumo del ánodo puede ser proporcional al total de carga liberado, pero la
velocidad de consumo en cualquier punto sobre la superficie del ánodo dependerá de
su densidad de corriente; en los bordes, esquinas y otros puntos la densidad de
corriente puede ser más grande y el ánodo se corroerá más rápidamente allí [11].
2.4. CONDUCTORES ELÉCTRICOS
En los sistemas de protección catódica las tensiones involucradas son bajas y por
tanto, la tensión no es factor importante en la selección de los conductores.
Para el dimensionamiento de los cables se deben tener en cuenta los siguientes
factores:
1. Resistencia eléctrica; es importante que los conductores presenten una baja
resistencia, debido a que primordialmente en los sistemas de protección catódica
por ánodos de sacrificio se manejan muy bajas tensiones y cualquier aumento en la
resistencia puede ser significativo.
2. Conducción de corriente; las intensidades de corriente manejadas en los sistemas
de ánodos galvánicos son muy bajas, en la mayoría de los casos, los cables de 6
mm2
de sección transversal permiten en forma satisfactoria la conducción de
corriente, siendo los más utilizados.
21
3. Revestimiento aislante; es de fundamental importancia la especificación adecuada
del revestimiento de los cables, para que soporten las condiciones de trabajo
exigidas, tratándose de bajas tensiones y bajas corrientes, es usual instalar los
cables directamente en el suelo. Un deterioro del revestimiento puede acarrear la
absorción de humedad, que próxima a las conexiones causa oxidación
introduciendo resistencias adicionales en el circuito.
2.5. OTROS MATERIALES UTILIZADOS EN SISTEMAS CON
ÁNODOS DE SACRIFICIO
Además de los ánodos, del relleno y los conductores, se requiere para un adecuado
funcionamiento de los sistemas de protección catódica con ánodos de sacrificio otros
materiales, entre los cuales se referencian los conectores y las resistencias eléctricas.
2.5.1. Conectores eléctricos
Es esencial para los sistemas de protección catódica una perfecta continuidad
eléctrica del circuito. Las conexiones eléctricas deben hacerse con soldadura, si es
posible o por medio de conectores eléctricos, los conectores de presión son
satisfactorios desde que su ajuste se apropiado. Es imprescindible que tales
conexiones sean perfectamente aisladas para evitar el contacto directo con el
electrolito.
22
2.5.2. Resistencias eléctricas
Con el objetivo de limitar la corriente drenada por los ánodos, cuando se comprueba
que tal corriente es muy alta, es factible introducir una resistencia de valor adecuado
en el circuito empleándose para ello un reostato. En sistemas galvánicos ésta práctica
es común cuando se emplean ánodos de magnesio [5].
2.6. CAMBIOS EN LOS REQUERIMIENTOS DE CORRIENTE
Dentro de ciertas limitaciones es posible diseñar una instalación de protección
catódica con ánodos de sacrificio, pese a que tal diseño es relativamente simple los
parámetros naturales en los que se basa pueden no permanecer constantes. El
consumo de material anódico produce cambios en la resistencia del ánodo, la
estructura igualmente puede verse afectada y sus requerimientos de corriente variar,
ésto puede deberse a que la naturaleza alcalina de las reacciones causa una
polarización sobre las sales de calcio y magnesio o una alta resistencia del
recubrimiento tal como un asfalto puede deteriorarse naturalmente. La variación en
los parámetros de diseño, cualquiera que sea, trae como consecuencia cambios en los
requerimientos de corriente de protección, llegando a disminuir hasta en un 50 %
cuando se presenta la formación de capas calcáreas sobre estructuras marinas, o
incrementarse hasta 20 veces por el deterioro del recubrimiento o por daños en la
superficie del cátodo [11].
23
2.7. CRITERIOS DE PROTECCIÓN CATÓDICA
Pese a que el principio fundamental de la protección catódica es la generación de una
corriente positiva sobre toda la superficie del metal a proteger, la determinación de
éste valor como criterio de protección es muy variable, debido a que ésta se halla
ligada a la polarización catódica, la cual depende de la naturaleza del ambiente; ésto
conduce a considerar el potencial de la estructura como el parámetro de protección
más confiable.
La utilización del valor de potencial como criterio de protección dependen del metal
a proteger, variando únicamente por acción de altas temperaturas (donde se
recomienda un incremento de -2 mV / °C) y por la presencia de bacterias sulfato
reductoras (donde se sugiere un incremento de -0.1 V referido al electrodo de
cobre/sulfato de cobre). Los valores usualmente recomendados se muestran en la
Tabla 5.
24
TABLA 5. Potenciales recomendados para protección catódica
METAL A PROTEGER E (Cu / CuSO4)
Hierro y acero en ambiente aeróbico - 0.85 V
Hierro y acero en ambiente anaeróbico (acción - 0.95 V
Plomo - 0.6 V
Estaño - 0.7 V
Níquel - 0.8 V
Aleación a base de cobre - 0.5 a - 0.65 V
Aluminio limite positivo - 0.95 V
Aluminio limite negativo - 1.2 V
Cobre - 0.2 V
Otro criterio, también utilizado, consiste en promover, mediante la aplicación de la
corriente de protección catódica, un incremento negativo mínimo de 0.3 V (en
algunos casos 0.25 V es suficiente), sobre el potencial natural ( potencial medido
antes de la utilización del sistema de protección catódica ) de la estructura. Éste
criterio es válido cualquiera que sea el electrodo de referencia usado.
Cuando se desconoce el potencial de protección de determinada aleación o material
metálico, un criterio seguro de protección es incrementar su potencial en -0.3 V,
siendo para materiales anfóteros (cinc, aluminio y estaño) suficiente una variación de
-0.15 V; estos metales no pueden polarizarse con potenciales más negativos que -1.2
V, pues sufren corrosión severa, llamada corrosión catódica, debido a los altos
valores de pH desarrollados, que tornan el medio muy alcalino.
25
2.8. REQUERIMIENTOS DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN
La corriente necesaria para la protección catódica depende fundamentalmente de
varios factores:
• Área a proteger y condiciones del revestimiento.
• Resistividad eléctrica del suelo.
• Dificultad de polarización de la estructura.
• Forma geométrica de la estructura.
Debido a las grandes variaciones existentes en los factores arriba mencionados, ya
sea de una estructura a otra o de la misma estructura, se puede afirmar que la única
manera de disponer con precisión de la corriente necesaria para la protección, es por
medio de pruebas de campo; empleando para ello una fuente de generación de d.c.
para realizar envíos de corriente y un lecho auxiliar de ánodos, normalmente de
chatarra de hierro. El cambio de voltaje por unidad de amperaje da una indicación de
la corriente requerida para alcanzar el potencial de protección deseado.
26
TABLA 6. Requerimientos de corriente para protección catódica
MEDIO CORRIENTE REQUERIDA
(mA / pie2
)
Estéril, suelo neutral 0.4 - 1.5
Suelo neutral bien aireado 2.0 - 3.0
Suelo bien aireado seco 0.5 - 1.5
Suelo húmedo 2.5 - 6.0
Suelo altamente ácido 5.0 - 15.0
Suelo con bacterias sulfato reductoras Hasta 42.0
Caliente en el suelo 5.0 - 25.0
Concreto seco 0.5 - 1.5
Concreto húmedo 5.0 - 25.0
Agua fresca estacionaria 5.0
Agua fresca en movimiento 5.0 - 6.0
Agua fresca altamente turbulenta con oxigeno disuelto 5.0 - 15.0
Agua caliente 5.0 - 15.0
Agua de estuario contaminada 50 - 150
Agua de mar 5.0 - 25.0
Químicos, soluciones alcalinas o ácidas 5.0 - 25.0
Aceros bien revestidos en suelos 0.01 - 0.02
Aceros bien revestidos con detector de fugas 0.001 o menos
En muchos casos existen ventajas técnicas y económicas que determinan la necesidad
de diseñar el sistema de protección catódica antes de construir la estructura que
desea protegerse; en dichas circunstancias se recurre entonces a la experiencia
adquirida en casos semejantes y a valores disponibles en la literatura, como los
presentados en las Tablas 6 y 7, los cuales dan una idea aproximada de la magnitud
de la corriente requerida; ya que variaciones en el ambiente afectan la polarización
catódica y por ende los requerimientos de corriente [17].
27
TABLA 7. Densidades de corriente recomendadas para protección catódica
ESTRUCTURA DENSIDAD DE CORRIENTE
(mA / pie2
)
Tuberías 1 - 2
Paredes de pozos profundos 1
Fondo de tanques parte externa 1
Parte interna de tanques 5 - 10
Tanques de proceso 7 - 10
Estructuras en agua de mar 5 - 15
Estructuras en zonas pantanosas 1 - 2
2.9. RECUBRIMIENTOS
Sin importar que sistema de protección catódica se aplique sobre una estructura, es
necesario emplear recubrimientos aislantes sobre la superficie del metal a proteger. El
objetivo de los recubrimientos es separar la estructura metálica del medio en el cual
se encuentra ofreciéndole protección contra la corrosión; sin embargo, cuando se
presentan zonas con imperfecciones se da la formación de una celda galvánica,
donde las zonas dañadas actúan como ánodos y el resto de la estructura como cátodo
produciéndose una corrosión acelerada en forma de picadura; por lo que se hace
indispensable el empleo de la protección catódica para eliminar dicha celda y lograr
una protección eficiente a un costo razonable, de no ser así, los requerimientos de
corriente serían extremadamente altos ( con un buen revestimiento se pueden lograr
reducir mil o más veces la corriente requerida) [18].
28
La combinación del sistema de protección catódica y de recubrimiento debe
adecuarse de tal forma que se logre el máximo grado de protección; por ende debe
tenerse en cuenta, por un lado, que una alta sobreprotección incrementa la evolución
de hidrógeno sobre la superficie catódica; éste gas puede causar daño en el
recubrimiento y producir fragilidad en el metal si entra al mismo; por otro lado, de
acuerdo con las otras reacciones electroquímicas que tienen lugar igualmente en el
cátodo, pueden producir un incremento de la alcalinidad cerca a éste, por lo cual es
indispensable que el recubrimiento sea resistente en medios alcalinos; finalmente un
recubrimiento debe presentar el menor grado de absorción de agua posible, debido a
que la misma cuando viaja a través del recubrimiento puede formar burbujas
provocando desadhesión del recubrimiento; fenómenos como la electro - ósmosis
(proceso que se presenta cuando el agua y otras sustancias viajan en la misma
dirección de la corriente), pueden incrementar la absorción de agua en un
recubrimiento [11].
Los recubrimientos compatibles y resistentes a la protección catódica (bituminosos,
resinas epóxicas, cauchos clorinados, cintas plásticas de polietileno o cloruro de
polivinilo y alquitrán de hulla) no constituyen un mayor costo en la instalación de
tuberías. Se ha estimado que estos costos actualmente están entre el 4.5 % y el 8 %
del costo total de instalación, dependiendo del tipo de sistema de aplicación del
revestimiento usado. Independiente de la naturaleza de los recubrimientos (
termofijos o termoplásticos), es aún complicado diferenciar los métodos de aplicación
empleados, de cualquier modo son cuatro los generalmente usados: vertimiento del
29
recubrimiento fundido, extrusión (lateral o longitudinal), rociado electrostático de
recubrimientos en polvo y espumado o moldeo sobre la estructura. Fallas en los
recubrimientos causan incrementos en los costos, obligando a un mantenimiento
exigente, lo que hace de vital importancia la realización de pruebas en los materiales
antes y después de su aplicación [18].
2.10. RESISTIVIDAD ELÉCTRICA
Uno de los parámetros más importantes en la corrosión y la protección catódica es la
resistividad eléctrica de un electrolito; ésta es una propiedad del material, la cual esta
definida con base en la medición de la resistencia entre las caras opuestas de un cubo
especifico de material, las unidades empleadas usualmente son ohm / cm3
y ohm /
pie3
, al hacerla independiente de las dimensiones, la resistividad eléctrica se convierte
en una propiedad intrínseca cuyas unidades pueden ser escritas como ohm - cm2
/ cm
o ohm - cm. La resistividad de los electrolitos comunes varía considerablemente de
uno a otro, así, para el agua de mar se tienen valores entre 20 y 30 ohm - cm y para la
roca de granito hasta 500000 ohm - cm. Mientras el agua de mar es un electrolito
uniforme, el suelo y las rocas presentan una alta heterogeneidad. La resistividad del
suelo y las rocas varía notablemente con el contenido de agua y de su porosidad; de
igual manera el valor de la resistividad de un terreno presenta aumento cuando la
temperatura disminuye, registrando valores elevados al llegar al congelamiento;
existen diversas correlaciones que permiten realizar correcciones sobre la resistividad
30
por porosidad y temperatura de medio, siendo apropiada su aplicación en regiones
donde se presentan estaciones [11].
Cuando el electrolito es un suelo se puede indicar la agresividad del mismo en
relación con las estructuras de acero con base en la magnitud de su resistividad, como
se observa en la Tabla 8.
TABLA 8. Agresividad de los terrenos para estructuras de acero
AGRESIVIDAD RESISTIVIDAD (ohm - cm )
Baja Más de 10000
Media De 2000 a 10000
Elevada De 1000 a 2000
Alta De 500 a 1000
Muy alta Menos de 500
2.11. ESTRUCTURAS PROTEGIDAS CATÓDICAMENTE
Las estructuras metálicas que reciben protección catódica se pueden dividir en tres
grupos; aquellas que son enterradas en el suelo constituyen el primero y éste incluye
tuberías tanques y fundiciones; el segundo grupo comprende estructuras que se hallan
inmersas en agua fresca y de mar y el tercer grupo lo forman aquellas estructuras que
contienen un electrolito. Por ser el objetivo del proyecto la protección catódica de
estructuras metálicas enterradas solo se tratara el primer grupo.
31
2.11.1. Tuberías
Las tuberías de acero son ampliamente utilizadas para el transporte y distribución del
petróleo y sus derivados, productos químicos, agua, gas y más recientemente,
productos sólidos como mineral de hierro y fosfato. Por cuestiones de seguridad estas
tuberías son enterradas y protegidas contra la corrosión, constituyéndose en la
principal aplicación de los sistemas de protección catódica.
Las tuberías pueden dividirse para el propósito de protección catódica en dos clases:
tuberías cortas en las cuales la resistencia eléctrica longitudinal es suficientemente
pequeña para ser considerada equipotencial y tuberías largas o tuberías donde su
resistencia longitudinal puede jugar un papel importante en el diseño, construcción e
instalación de sistemas de protección catódica. Éstas clases pueden subdividirse
además en tuberías de pequeños y grandes diámetros. Las tuberías de pequeños
diámetros son aquellas en las cuales la relación diámetro a profundidad es tan
pequeña que los efectos de superficie no son apreciables sobre la distribución del
potencial eléctrico alrededor de la tubería; las tuberías de grandes diámetros son
aquellas en las cuales la superficie del suelo tiene un considerable efecto sobre la
corriente y la distribución de potencial alrededor de la tubería.
2.11.1.1. Tuberías cortas - pequeñas
Usualmente se encuentran como transportadoras de productos de servicios para un
consumidor y pueden llevar gas, agua, petróleo, o cables eléctricos. En general éstas
32
tuberías son de acero y una gran proporción de ellas son galvanizadas; el efecto del
galvanizado se puede asimilar al de un recubrimiento, reduciendo los requerimientos
de corriente para la protección catódica; metales como plomo, aluminio y cobre
también se emplean en la fabricación de éste tipo de tuberías.
2.11.1.2. Tuberías cortas - grandes
Similar a las tuberías cortas - pequeñas pero diferenciándose de éstas por su gran
diámetro, éstas incluyen longitudes cortas enterradas o sobre la tierra, líneas cortas
aisladas o secciones cortas de tuberías entre cuplas aislantes. La diferencia entre éstas
dos clases es la variación de la distribución del potencial del suelo alrededor de la
tubería.
2.11.1.3. Tuberías grandes
La mayoría de grandes tuberías se emplean para el transporte de combustible o de
otros productos sobre grandes distancias, la protección catódica de las mismas se
lleva a cabo de dos maneras; considerando las tuberías como una serie de tramos de
corta longitud, los cuales pueden recibir protección de ánodos de sacrificio o
pequeños sistemas de corriente impresa o considerando la longitud total de la tubería,
lo que usualmente es preferido, protegiéndose la misma por un simple o un numero
pequeño de instalaciones que generalmente emplean la técnica de corriente impresa,
la corriente de protección fluye a lo largo de la tubería metálica y la caída de
potencial en ésta puede ser de gran significancia para la protección.
33
2.11.1.4. Redes de tuberías
Las tuberías rara vez son unidas en grupo a lo largo de la misma ruta o conectadas a
una serie de contenedores presentando continuidad eléctrica, como sucede dentro de
una refinería. Para la aplicación de protección catódica las redes de tuberías pueden
dividirse en tres grupos: tuberías en paralelo, bifurcaciones y redes cercanamente
agrupadas.
Las aplicaciones del primer grupo varían con respecto a las tuberías normales por dos
condiciones, primero, si las tuberías están suficientemente cerca causan algún
apantallamiento o interferencia y segundo si tuberías que poseen diferentes
recubrimientos o resistencias lineales se unen eléctricamente, el grado de protección
variará; si se encuentran tuberías pobremente revestidas en suelos de alta resistividad
las tuberías externas pueden normalmente recibir más protección, los ánodos de
sacrificio pueden dar una buena protección adicional, pero la eficiencia de éstos se
halla limitada por los requerimientos de corriente y la resistividad del suelo.
El segundo grupo de redes de tuberías son las bifurcaciones, siendo el mejor sitio
para la aplicación de la protección catódica el mismo punto de bifurcación.
El tercer grupo lo constituyen las redes que se encuentran en plantas químicas,
refinerías y zonas urbanas muy pobladas y donde las tuberías pueden agruparse y
cruzarse entre sí, hallándose muy raras veces todas interconectadas. La protección
catódica de tales redes implica un control sobre la posición de los ánodos, utilizando
34
dos métodos, el primero consiste en el uso de ánodos o lechos remotos y la corriente
de protección es drenada desde la estructura por una serie de cátodos unidos cuya
resistencia se controla para alcanzar la protección deseada; el método tiende a ser
efectivo y económico en zonas de baja resistividad, su eficiencia no es del 100%
debido a que algunas tuberías causan interferencias locales sobre otras haciendo
necesario el empleo de ánodos de sacrificio para proporcionar la protección adicional.
El segundo método consiste en la distribución de la protección con pequeñas
unidades en toda la red. Los ánodos de sacrificio se emplean de acuerdo con los
requerimientos de corriente estimados y a la salida de corriente esperada en un suelo
particular, éste método necesita usualmente una medición extensiva y ánodos
adicionales en relación con el diseño original. Un pequeño sistema de corriente
impresa se puede emplear controlando sus grandes salidas de corriente en el lugar de
la cama anódica.
2.11.2. Tanques y soportes de tanques
Mucho tanques y contenedores de diversos productos son construidos con una base
de acero la cual descansa sobre la tierra. Los asentamientos de la base son usualmente
construidos de roca y cubiertos posteriormente con una capa de arena o tierra que
presenta una superficie uniforme para la placa del fondo. La corrosión se presenta en
ésta superficie y en aquellas partes donde hay presencia de agua u otras condiciones
agresivas, ésta corrosión puede ser rápida.
35
Cuando los tanques se hallan agrupados e interconectados por una red de tuberías,
puede inducirse la formación de una gran celda, la corrosión presente en éste caso
puede reducirse considerablemente por la preparación cuidadosa del fondo del tanque
y por un incremento grande en la resistencia del electrolito. La protección catódica
puede usarse para una completa protección contra la corrosión de la placa del fondo.
Idealmente la protección puede aplicarse sobre tanques perfectamente recubiertos;
pero un recubrimiento tal es difícil de obtener además usualmente la aplicación de un
sistema de protección catódica se encuentra influenciada enormemente por las
condiciones de heterogeneidad del suelo en que reposa el tanque, siendo tal la
influencia que el valor de su resistividad varía desde el centro hasta su borde. Al
emplear ánodos galvánicos, éstos se pueden distribuir en diversos arreglos de acuerdo
con la naturaleza del terreno, cuando se desea proteger uno o más tanques los ánodos
pueden distribuirse uniformemente, formar un sólo lecho o cuando las condiciones
del terreno son difíciles pueden enterrarse profundamente, aunque éste método es
solamente práctico si las capas inferiores del terreno presentan una baja resistividad.
2.11.3. Otras estructuras
Además de las estructuras metálicas tratadas anteriormente, se ha encontrado que
construcciones tales como las tuberías verticales empleadas en perforación y
explotación de pozos de gas y petróleo, soportes metálicos enterrados, grandes placas
en forma de muro empleadas en excavaciones, soportes de construcciones,
embarcaderos, tanques de pequeña capacidad y diversa geometría y otras estructuras
36
donde la corrosión pueda representar grandes costos necesitan protección catódica.
Los sistemas de protección catódica empleados en estos tipos de estructuras
(usualmente ánodos de sacrificio) se pueden implementar de una forma eficiente,
realizando consideraciones sobre la geometría particular de estructura y la naturaleza
del medio, en conjunto con criterios de protección apropiados para lograr una
distribución de corriente lo más uniforme posible sobre la superficie de la estructura
[13].
3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE
Actualmente el diseño de sistemas de protección catódica se realiza utilizando
ecuaciones empíricas combinadas con consideraciones prácticas; pero éste es un
proceso amplio e iterativo que busca satisfacer requerimientos permitiendo que los
factores y variables que fundamentan un aspecto sean consistentes con otros, todos
los cálculos para el dimensionamiento de sistemas de protección catódica pueden
facilitarse mediante el uso de los microcomputadores; con lo cual se obtiene un hábil
manejo de la información, rapidez en el tiempo de respuesta y lo más importante
confiabilidad en los resultados obtenidos.
La descripción del proceso de desarrollo y elaboración del software, constituye
básicamente un recuento histórico de las observaciones, análisis y actividades
realizadas, lo cual resulta extenso y tedioso; por lo tanto, el presente capítulo se
dedicará a describir la forma en que se encuentra estructurado el software
desarrollado para el diseño de sistemas de protección catódica con ánodos de
sacrificio, para hacer más clara la descripción se incluyen las consideraciones que
fundamentan algunos de los aspectos del programa.
38
Analizando las diferentes herramientas para el desarrollo de softwares disponibles fue
considerada como la más apropiada el Turbo C, debido a que presenta:
• Compatibilidad con aplicaciones numéricas.
• Posibilidad para elaborar interfaces simples y bases de datos.
• Facilidad de manejo.
• Gran variedad de funciones.
• Posibilidad de acoplar gráficos sencillos con las aplicaciones.
3.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL SOFTWARE
Puede afirmarse que el software posee uniformidad y un alto grado de compactación.
Siendo la uniformidad el indicativo del grado en que la interfaz utiliza notación y
formatos consistentes, aplica restricciones e incluye excepciones a algunas reglas. La
compactación se refiere a la cantidad de información que presenta la interfaz y que
debe retener la memoria humana; los atributos que miden el grado de compactación
de la interfaz son:
• El número de comandos utilizados.
• El número de funciones y operaciones.
• La cantidad de colores empleados.
• La variedad y cantidad de mensajes de error.
• Los métodos abreviados para acceder a las funciones.
• El número de validaciones y chequeos de las entradas.
Por el análisis de éstos atributos el programa se puede considerar compacto,
presentando por ello una solidez y potencia tal que permite una fácil asimilación de
39
su interfaz, obteniéndose un alto nivel de eficiencia al operarlo, pero sin convertirse
en un medio con pocas capacidades de ampliación, actualización y transportabilidad.
3.2. ESTRUCTURA DEL SOFTWARE
El programa comienza exhibiendo una serie de pantallas de presentación, para
posteriormente desplegar el menú principal, el cual constituye el área de acceso a las
diferentes aplicaciones que constituyen el software. La secuencia básica de activación
de las utilidades desde el menú principal se presentan en la Figura 5. Las aplicaciones
pueden dividirse de acuerdo con la función que desempeñan en:
• Módulos para el manejo de archivos.
• Módulos para el manejo de la base de datos.
• Módulos de cálculo.
• Ayudas.
Los módulos para el manejo de archivos permiten la consulta e impresión de archivos
de resultados y ayudas disponibles; la forma en que se encuentran estructurados se
puede observar en la Figura 6.
En la Figura 7 se presenta el proceso para la revisión y modificación de la base de
datos. Los esquemas generales de las operaciones para la realización de cálculos de
diseño de sistemas de protección catódica con ánodos de sacrificio para diferentes
tipos de estructuras metálicas enterradas se dan en las Figuras 8, 9 y 10.
40
FIGURA 5. Diagrama general de flujo
Inicio
Inicializar
monitor
ErrorPresentación
Menú
principal
Menú
Fín
Pantalla de
cierre
Fín
1
1
Mensaje
Imprimir
archivos
Base de
datos
Diseñar
Ayuda *
Salir
Ayudas
Abrir
archivos
Leer tecla
Ayuda
* El archivo desplegado indica el uso del teclado
Opción
Selección
Pantalla de
cierre
Fín
1
1
F3
F2
ESC
ENTER
USO
INDICE
D
B
A
I
D: DISEÑAR
B: BASE DE DATOS
A: ABRIR
I: IMPRIMIR
no si
si
no
si
no
ENTER
ESC
41
FIGURA 6. Diagrama de flujo para módulos de manejo de archivos
Subrutina abrir archivos
Inicio
Leer nombre
Fín
2
2 Fín
Leer
archivo
Error 2
Muestra
página
Fín
Desplaza
página
si
F3
CANCELAR
Selección
Opción
ACEPTAR
ENTER
MODIFICAR
no
F3
PgUp
PgDn
Subrutina imprimir archivos
Inicio
Leer nombre
Fín
3
3 Fín
Leer
archivo
Error 3
Fín
si
F3
CANCELAR
Selección
Opción
ACEPTAR
ENTER
MODIFICAR
no
F3
Imprimir
F5
3
42
FIGURA 7. Diagrama de flujo para los módulos de base de datos
Inicio
Fín
Fín
Leer
archivo
CANCELAR
F3
Dimensión de
ánodos
Muestra
datos
Fín
Dimensión de
ánodos
Imprimir
Adiciona
Leer n
Adicionar
n
Elimina
Leer n
Eliminar n
Selección
Opción
Fín
Imprimir
Opción
Dimensión de
ánodos
Salvar
4
4
4
F3F4
F4
F5
F6
si
no
no
si
no
si
no si
si
no
Leer dato
4
ENTER
F3
Muestra
gráfico
ENTER
MATERIAL
43
FIGURA 8. Diagrama general de flujo para los módulos de diseño
Inicio
Inicializar
variables
Segunda
pantalla
Fín
Resultados
5
Salvar
Imprimir
Menú
Salir
Leer dato
Selección
Fín
Múltiples tramos
primera pantalla 5
Tecla
Ultima
pantalla
Leer tecla ENTER
Flechas
Desplaza
cursor
Salvar Imprimir
Fín
5
Cálculos de
diseño
F3
F2
F4
F6
ENTER
F5
S
C
I
F
F: FINALIZAR S: SALVAR C: CONTINUAR I: IMPRIMIR
sino
si
no
no
si
si
no
no
si
44
Subrutina abrir
Inicio
Leer nombre
Fín
6
6 Fín
Leer
archivo
Error
Fín
si
F3
CANCELAR
Selección
ACEPTAR
ENTER
MODIFICAR
no
Subrutina nuevo
Inicio
Leer nombre
Fín
7
7 Fín
Existe
Fín
si
F3
CANCELAR
Selección
ACEPTAR
ENTER
MODIFICAR
no
Inicializar
variables
6 sobreescribir
6
si
no
Crear
archivo
Subrutina imprimir
Inicio
Inicializar
impresora
Error
Mensaje
Imprimir
documento
Fín
si
no
FIGURA 9. Diagrama de flujo de las subrutinas de los módulos de diseño
45
FIGURA 10. Diagrama de flujo para el manejo del menú en los módulos de diseño
Inicio
Distribuciones
Archivos
Selección
Fín
Leer tecla
ESC
Imprimir
Fín
Fín
Fín
Selección
tubería
Selección
opción de
cálculo
Selección de
tipo cable
AbrirNuevo
Selección
tipo ánodo
Selección
material
ENTER
Fín
ESC
I
N A
SF
M
T
O
C
D
M: MATERIAL
si
no
si
no
F: DISTRIBUCIONES
N: NUEVO
I: IMPRIMIR
S: SALIR
A: ABRIR
T: TIPO DE ÁNODO
O: OPCIÓN DE CÁLCULO
C: CABLE
D: DIÁMETRO
46
Subrutina ayuda Subrutina salvar
Inicio Inicio
Leer archivo
Muestra
ayuda
Leer tecla
ESC
Fín
Abrir archivo
Unidad
Grabar
Datos
Grabar
Datos
Cerrar
archivo
Fín
Diskette Disco
duro
Leer tecla
Tecla con
función
Ayuda
Inicio
Subrutina opción
F1
Fín
Flecha
Desplazar
cursor
Ayuda
Subrutina selección
Leer tecla
Tecla con
función
Inicio
F1
Fín
no si
si
no
si
no
si
no
si
no
no
si
FIGURA 11. Diagrama de flujo de las subrutinas básicas
47
En la Figura 11 se presenta proceso que se lleva a cabo al desplegar las ayudas,
realizar la selección de una aplicación, salvar parámetros de diseño y resultados.
3.2.1. Módulos de cálculo
El programa se ha dividido en tres módulos independientes de cálculo, de acuerdo
con el tipo de estructura a proteger.
3.2.1.1. Módulo de cálculo para tuberías
De acuerdo con el número de secciones para los cuales se desea realizar el diseño y la
disposición de las mismas, el usuario dispone de las tres opciones siguientes de
cálculo:
• Un tramo de tubería, la cual hace referencia a una tubería o a una sección de
tubería que presenta continuidad eléctrica en toda su longitud.
• Una tubería dividida en múltiples tramos, que presenta continuidad eléctrica en
toda su longitud.
• Múltiples tramos independientes de tubería, los cuales pueden o no presentar
continuidad eléctrica.
Si bien, las diferentes secciones de una tubería se pueden considerar cada una como
un único tramo y utilizar la primera opción de cálculo para su diseño, ésto resulta
tedioso debido a la gran cantidad de información que se debe ingresar, máxime
cuando se desea optimizar un diseño y dado que mucha de la información necesaria
es común para todas las secciones se implementaron las dos últimas opciones, con el
fin de agilizar la realización de un diseño determinado.
48
3.2.1.2. Módulo de cálculo para fondo de tanques
Para la protección catódica externa del fondo de un tanque o de un grupo de tanques
pueden emplearse diversos esquemas de distribución de las camas anódicas los cuales
se presentan en la Figura 12 y determinan las opciones de cálculo de este módulo:
• Ánodos ubicados en dos camas anódicas rectas.
• Ánodos en camas anódicas circulares a los tanques.
• Ánodos ubicados en un lecho anódico recto.
• Una cama anódica central recta.
• Diversas camas anódicas rectas de múltiples ánodos.
• Diversas camas anódicas de sólo un ánodo.
49
FIGURA 12. Esquemas de distribución de camas anódicas para la protección
externa de fondos de tanques
1.Ánodos galvánicos ubicados
en dos lechos rectos.
2. Ánodos galvánicos ubicados en
lechos circulares a los tanques.
4. Ánodos galvánicos ubicados
en lecho central recto.
3. Ánodos galvánicos ubicados
en un lecho recto.
5. Diversas camas anódicas rectas
de múltiples ánodos galvánicos.
6.Diversas camas anódicas
de sólo un ánodo galvánico.
Ánodo galvánico TanqueCama anódica
50
3.2.1.3. Módulo de cálculo para otras estructuras
Para estructuras metálicas enterradas de geometrías diferentes a tuberías o a fondos
de tanques, se diseño un módulo general de cálculo en el cual se presentan dos
opciones para el diseño del sistema de protección:
• Protección catódica utilizando camas anódicas de sólo un ánodo.
• Protección catódica usando una cama anódica de múltiples ánodos.
3.3. PARÁMETROS DE DISEÑO
Para el dimensionamiento de un sistema de protección catódica se precisa de una
información técnica de la estructura a proteger y de los materiales utilizados, que en
conjunto con las mediciones de campo, constituyen los datos fundamentales para la
elaboración del diseño, siendo denominados parámetros de diseño, con el fin de
alcanzar un más claro y rápido entendimiento del software y su algoritmo de cálculo
se describe en forma breve y concisa la información básica involucrada en el diseño
de un sistema de protección catódica.
3.3.1. Entradas iniciales del programa
Las entradas iniciales proveen la información necesaria para la ejecución del
software, constituyéndose en el punto de partida para la realización de los cálculos
de diseño del sistema de protección catódica, estos parámetros se describen a
continuación.
51
3.3.1.1. Material de la estructura a proteger
Usualmente se protegen catódicamente estructuras de hierro y acero en ambientes
aeróbicos, en las cuales el potencial de protección (Em) recomendado es -0.85 V
referido al electrodo de cobre/sulfato de cobre, para estructuras de otros materiales
los potenciales recomendados se pueden observar en la Tabla 5 del capítulo 2, si no
se especifica el material de la estructura a proteger, el programa considerara que se
trata de hierro o acero en ambiente aeróbico.
3.3.1.2. Área de la estructura a proteger
El área de la estructura a proteger se obtiene a partir de la forma geométrica de la
estructura, considerándose únicamente la superficie de la estructura en contacto
directo con el medio corrosivo, en éste caso el suelo, expresado en m2
.
De acuerdo con el tipo de estructura el área es determinada por el programa con base
en la información ingresada, así:
• Para tuberías se emplea la siguiente expresión:
A = 0.3048 δ· L (3.1)
Donde:
A = Área del tramo (m2
).
δ = superficie exterior por pie lineal (pie2
/ pie), la que se obtiene con el diámetro
nominal ( plg ), empleando la Tabla 9.
L = longitud del tramo correspondiente (m).
• Para fondos de tanques.
52
A = N π D2
/ 4 (3.2)
Donde:
A = Área total a proteger (m2
).
N = Número de tanques.
D = Diámetro de los tanques.
• Para otras estructuras se debe ingresar directamente el área a proteger expresada
en m2
.
3.3.1.3. Vida útil requerida del sistema
La vida útil requerida del sistema, hace referencia al mínimo tiempo de servicio en
años, que debe cumplir el sistema de protección catódica y el cual puede ser igual al
tiempo de vida útil de la estructura que se desea proteger.
3.3.1.4. Resistividad del medio (ρ)
La resistividad del medio se obtiene por mediciones de campo a diferentes
profundidades, usualmente entre 1 y 6 m, empleándose el valor promedio de la
resistividad a una misma profundidad en ohm - cm. Para tuberías se debe disponer de
datos para cada tramo en que se divida la misma.
Cabe destacar que la eficiencia del sistema diseñado se ve afectada en forma directa
por el grado de desviación de los valores de resistividad respecto al valor promedio
empleado para los cálculos de diseño. Por otra parte, la ubicación de cada una de las
camas anódicas debe realizarse en lugares donde la resistividad presente
concordancia con los valores empleados en los cálculos, dado que el drenaje de
53
corriente y el tiempo de vida útil del sistema, son función de la resistividad, así por
ejemplo, valores bajos de resistividad ocasionan un alto drenaje de corriente y un
tiempo de vida corto, llegando estar incluso muy por debajo de los requerimientos
para el sistema.
TABLA 9. Dimensiones de tuberías de acero
TAMAÑO NOMINAL
DEL TUBO IPS2
(plg)
SUPERFICIE EXTERIOR
(pie2
/ pie)
1 0.344
2 0.622
3 0.917
4 1.178
5 1.45*
6 1.734
8 2.258
10 2.814
12 3.338
14 3.665
16 4.189
18 4.712
20 5.236
22 5.747
24 6.283
30 7.852*
36 9.43*
*
Datos tomados de Cathodic Protection Manual of TEXACO, INC.
2
IPS International Pipeline Standars
54
3.3.1.5. Conductores eléctricos y espaciamiento entre ánodos
Como ya se había indicado en el segundo capítulo, en los sistemas de protección
catódica con ánodos de sacrificio las tensiones manejadas son bajas, por tanto,
cualquier incremento en la resistencia del circuito puede ser significativo; por ésto
debe tenerse en cuenta: el espaciamiento entre ánodos en una misma cama anódica, la
ubicación del primero de ellos respecto a la estructura y el tipo de conductores
eléctricos empleados. En la Tabla 10 se presentan los conductores eléctricos y sus
respectivas resistencias empleados en protección catódica con ánodos de sacrificio.
TABLA 10. Resistencia de conductores de cobre para ánodos de sacrificio
TAMAÑO DE CABLE RESISTENCIA
(ohm/pie)
N° 6 AWG 4.10 x 10-4
N° 8 AWG 6.54 x 10-4
N° 10 AWG 1.04 x 10-3
N° 12 AWG 1.65 x 10-3
N° 14 AWG 2.62 x 10-3
3.3.1.6. Densidad de corriente
Cuando se tiene una estructura metálica protegida catódicamente la densidad de
corriente (DC’) requerida para lograr la protección esta directamente relacionada con
la forma de la estructura y las características propias del medio corrosivo en el cual se
encuentra; es por esto, que recientemente han sido desarrolladas expresiones como la
55
ecuación 3.3, para determinar tales valores, la cual relaciona la densidad de
corriente
DC’ = 73.73 - 13.35· log ρ [5] (3.3)
con la resistividad, ecuación que se aplica para terrenos con valores de resistividad
comprendidos entre 1000 ohm - cm y 300000 ohm - cm, sin embargo, para valores de
resistividad inferiores a 40000 ohm - cm presenta un alto grado de desviación, por lo
que no se hace aplicable para los cálculos de protección catódica con ánodos de
sacrificio; por ende, los valores de densidad de corriente que se empleen en un diseño
de un sistema de protección deben ser, en cuanto sea posible, obtenidos por pruebas
directas sobre la estructura, o en su defecto, como ya se había mencionado mediante
el empleo de valores recomendados por la literatura como los presentados en las
Tablas 6 y 7 del segundo capítulo. Estos últimos empleados con la eficiencia del
recubrimiento ( E ) o lo que es lo mismo con el porcentaje de área desnuda, como
se muestra en la
DC = DC’ · ( 1 - E ) [5] (3.4)
ecuación 3.4., donde DC es la densidad de corriente requerida realmente. El valor de
la eficiencia es un factor de seguridad adoptado en el dimensionamiento de sistemas
de protección catódica, éste valor es particular de la estructura y esta influenciado por
las características propias del revestimiento y la experiencia del diseñador;
generalmente para revestimientos en excelente estado el valor de la eficiencia es
superior al 98 %.
56
Cuando los cálculos de densidad de corriente que se realizan se refieren a fondos de
tanques existe una corrección por resistividad, dada en la siguiente forma:
DC = DC’ / ER [11] (3.5)
siendo ER la eficiencia por resistividad, la cual se determina por:
ER = 2 · ρ / ( ρ + ρr ) [11] (3.6)
Donde:
ρ = resistividad promedio del terreno (ohm - cm).
ρr = resistividad del terreno en el centro del tanque (ohm - cm).
Siempre que se pueda conocer ρr la corrección puede llevarse a cabo.
3.3.1.7. Otros parámetros
Dentro de los parámetros considerados para obtener un diseño adecuado se tienen
algunos, que si bien no son estrictamente necesarios, se han incluido para obtener una
adecuada organización de la información permitiendo una correcta utilización del
software, dentro de tales parámetros se tienen:
• Nombre del proyecto: hace referencia al nombre con el cual se desea identificar el
diseño.
• Número de tramos: éste parámetro se emplea cuando el módulo a ejecutar
considera múltiples secciones de tubería, refiriéndose al número de tramos en que
fue dividida la línea de tubería para efectos de diseño. El número de tramos se
utiliza en el programa para determinar la extensión de arreglos internos del mismo;
es decir, determinar la longitud de algunos conjuntos de variables que contienen
una misma clase de datos.
57
• Nombre del tramo: hace referencia simplemente a un nombre con el cual se desea
indentificar la sección de tubería y puede ser por ejemplo, el nombre de los puntos
geográficos del inicio y terminación de la sección de tubería.
• Cota superior e inferior: al igual que el número de tramos, solamente tiene validez
en aquellas opciones donde se consideran múltiples secciones de tubería,
indicando los puntos límites sobre los cuales se extiende una determinada sección
de tubería, este parámetro determina en forma indirecta la longitud del tramo de
tubería considerado.
• Longitud total: éste parámetro tiene sentido cuando se desea diseñar un sistema de
protección catódica para una sección de tubería e indica la longitud de la misma.
• Material anódico: la selección del material anódico se realiza de acuerdo con la
resistividad del terreno sin embargo, el diseñador puede limitar el cálculo a un tipo
y tamaño particular de ánodo (cinc, Mg-High Potential o Mg-H1) cuyas
características se presentan en la Tabla 11.
TABLA 11. Características de los ánodos de sacrificio
CARACTERÍSTICA Mg H-1 Mg High
Potential
Cinc
Potencial (Cu / CuSO4) -1.55 -1.75 -1.10
Eficiencia de corriente ( % ) 25 - 50 50 90
Salida de corriente real (A - hr/ lb) 250 - 500 500 335
Salida de corriente teórica (A - hr/ lb) 1000 1000 372
Perdida de peso real (lb / A - año) 35 - 17.5 17.5 26.2
3.3.2. Base de datos
La información inicial se complementa con una serie de archivos que constituyen la
“base de datos” del software, la cual puede observarse e incluso modificarse mediante
58
el uso de aplicaciones particulares del programa. La base de datos contiene
básicamente la siguiente información:
• Potenciales recomendados para protección catódica (Tabla 5).
• Dimensiones de tuberías de acero (Tabla 9).
• Resistencia de los conductores de cobre para ánodos de sacrificio (Tabla 10).
• Características de los ánodos (Tabla 11).
• Dimensiones de los ánodos galvánicos (Tablas 12 y 13).
TABLA 12. Dimensiones de ánodos de magnesio
PESO ( lb ) dA (pie) LA (pie) dB (pie) LB (pie)
9 0.282 1.168 0.667 2.168
12 0.374 1.000 0.667 2.000
17 0.374 1.416 0.667 2.416
32 0.470 1.710 0.750 2.710
50 0.658 1.333 0.918 2.333
60 0.423 5.000 0.709 6.000
TABLA 13. Dimensiones de ánodos de cinc
PESO ( lb ) dA (pie) LA (pie) dB (pie) LB (pie)
15 0.132 2.500 0.667 3.500
18 0.132 3.000 0.667 4.000
24 0.132 4.000 0.667 5.000
30 0.132 5.000 0.667 6.000
60 0.188 5.000 0.667 6.000
150 0.374 3.000 0.667 4.000
En la Figura 13 se muestran las características geométricas de un ánodo de sacrificio,
donde:
59
LA = longitud del ánodo (pie).
dA = diámetro del ánodo (pie).
LB = longitud de columna completa (ánodo más relleno) (pie).
dB = diámetro de columna completa (pie).
LB LA
dA
dB
Conductor
Relleno químico
Ánodo
FIGURA 13. Características geométricas de los ánodos de sacrificio
3.4. ALGORITMO DE CÁLCULO
Cualquiera que sea la secuencia de cálculo empleada para realizar el diseño de un
sistema de protección catódica comprende un proceso, que si bien no es complejo,
por ser iterativo puede volverse muy dispendioso si se pretenden realizar los cálculos
sin una herramienta apropiada como puede ser un software de aplicación; máxime
cuando se deseen realizar cálculos para una tubería de varios cientos de kilómetros y
60
donde las condiciones del medio cambien en forma continua a lo largo de toda su
longitud.
Actualmente debido a la multiplicidad de variables involucradas en el diseño de
protección catódica se pueden plantear diversos algoritmos para realizar los cálculos,
sin embargo, la mayor parte de ellos requieren cálculos iterativos, que si bien logran
cumplir los criterios de convergencia, no se consideran adecuados para su aplicación
en el software, debido a que algunos de ellos producen sobredimensionamientos
inapropiados y otros omiten algunos factores que con el tiempo se ven reflejados en
un prematuro desgaste del sistema de protección, dejando la estructura desprotegida
en sus últimas etapas de servicio.
Con el propósito de resolver los inconvenientes presentes en la forma en que se
realizan los diseños actuales, se ha elaborado éste software de aplicación, el cual
presenta un algoritmo propio de cálculo constituido por las expresiones matemáticas
empleadas en los diseños actuales, complementado con criterios prácticos y
recomendaciones de la literatura.
El algoritmo diseñado presenta las siguientes ventajas:
• Rápida convergencia.
• Determinación de las características del sistema de protección catódica, teniendo
en cuenta las restricciones propias de la estructura protegida.
• Garantiza que el tiempo de vida calculado para el sistema nunca será inferior al
tiempo de servicio requerido por el usuario.
61
• Determinación rápida de la aplicabilidad de un sistema de protección catódica con
ánodos de sacrificio, para los parámetros de diseño especificados.
• Permite una rápida asimilación y fácil empleo del software.
• Permite la libre manipulación de algunas variables o parámetros de diseño, y su
seguimiento, con lo cual se obtiene un diseño o prediseño, técnica y
económicamente óptimo en muy corto tiempo.
• Da resultados de muy alta confiabilidad.
Una vez se ingresan y verifican todos los parámetros de diseño se realizan los
cálculos, los cuales utilizando la información disponible buscan un sistema de
protección catódica que satisfaga los criterios de convergencia.
3.4.1. Determinación de los requerimientos totales de corriente
Los requerimientos totales de corriente se determinan empleando la siguiente
formula:
IT = A · DC (3.7)
Donde:
IT = corriente total (A).
A = área a proteger (m2
).
DC = densidad de corriente de protección (A/m2
).
La forma de calcular el área y la densidad de corriente se indica en el numeral 3.2.1.
Cuando se realiza el cálculo para tuberías dividas en múltiples tramos que presentan
continuidad eléctrica debe restarsele a la corriente total la corriente sobrante en el
tramo anterior ( IS ) para obtener los requerimientos totales de corriente.
62
3.4.2. Inicialización del cálculo
Para el módulo de tuberías se inicializa el cálculo considerando dos ánodos por lecho,
dado que en la práctica resulta inconveniente para la protección catódica de tuberías
la instalación de camas anódicas de un sólo ánodo para los otros módulos de cálculo
se inicializa el mismo con un ánodo por lecho.
3.4.3. Selección del material anódico y su tamaño
Si el material anódico y su(s) tamaño(s) no se indican previamente por el diseñador,
éste se selecciona automáticamente el material anódico con el valor de la resistividad
del terreno así: para resistividades entre 200 ohm - cm y 1500 ohm - cm se considera
inicialmente el uso de ánodos de cinc, y para resistividades comprendidas entre 1500
ohm - cm y 6000 ohm - cm se utilizan ánodos de magnesio high potential.
Inicialmente se considera el uso de ánodos del menor peso disponible entre los
seleccionados. Para los cálculos se consideran las características propias de cada tipo
de ánodo, las cuales se encuentran en las Tablas 11, 12 y 13.
3.4.4. Cálculo del peso del material anódico por lecho
El peso de material anódico por lecho se determina con la siguiente expresión:
W1 = n W (3.8)
Donde:
W1 = peso del material anódico por lecho (lb).
63
W = peso del material anódico de un ánodo (lb).
n = número de ánodos por cama anódica.
3.4.5. Cálculo de la resistencia total del conductor eléctrico
La resistencia total del conductor eléctrico se puede calcular por la expresión:
RC = RE· (L1 + (n - 1) ·S / 2 ) [3] (3.9)
Donde:
RC = resistencia total del conductor eléctrico (ohm).
RE = resistencia especifica del conductor (ohm / pie), la cual se obtiene a partir de
tipo de cable consultando la Tabla 10.
S = espaciamiento entre ánodos en un lecho anódico (pie).
L1 = distancia estructura cama anódica (pie).
Para los módulos de tuberías y otras estructuras L1 es constante e igual a 2.5 m. Para
fondos de tanques no será mayor a un diámetro, calculandose por la siguiente
expresión:
L1 = DT / (n ·ER) [11] (3.10)
Donde:
DT = diámetro del tanque (pie).
ER = eficiencia por resistividad.
64
3.4.6. Cálculo de la resistencia ánodo - suelo
La resistencia total ánodo - suelo es igual a la resistencia del ánodo al relleno mas la
resistencia a suelo de la misma columna de relleno, lo que se expresa de la siguiente
forma:
RAS = 1.2 ·(RRT + RAR) [11] (3.11)
Donde:
RAS = resistencia ánodo - suelo (ohm).
1.2 = factor que considera un 20% de aumento en la resistencia asociado con la
disminución del área durante el tiempo de vida.
RAR = resistencia ánodo - relleno o resistencia interna del ánodo (ohm).
RRT = resistencia relleno - tierra (ohm).
La resistencia interna del ánodo sin corregir se calcula utilizando la siguiente
expresión:
RAR* = RA - RB [3] (3.12)
Donde:
RAR* = resistencia ánodo - relleno sin corregir (ohm).
RA = resistencia columna - ánodo (ohm).
RB = resistencia columna completa (ánodo mas relleno) (ohm).
Para calcular éstas resistencias existen diferentes ecuaciones de las cuales se usará la
de H. Dwight para un ánodo en posición vertical.
RV = ρ · (ln (8 · L / d ) - 1 ) / (2 · π · L · 30.48) [16] (3.13)
65
Donde:
RV = resistencia vertical (ohm).
ρ = resistividad del relleno en el cálculo de la resistencia columna - ánodo o
resistividad del terreno en el cálculo de la resistencia columna completa (ohm - cm).
L = longitud del ánodo (LA) o longitud de la columna completa (LB) (pie).
d = diámetro del ánodo (dA) o diámetro de la columna completa (dB) (pie).
La influencia mutua entre los ánodos ocasiona el incremento de la resistencia interna
de los mismos lo que se denomina efecto de apantallamiento, el factor de
apantallamiento depende de la ubicación de los ánodos dentro de la cama anódica.
Para ánodos dispuestos en forma lineal el factor se calcula con la ecuación 3.14 y
para ánodos dispuestos en forma curva (esquema aplicado en la protección catódica
de fondos de tanques) con la ecuación 3.15.
CF = 1 + log((cot(θ2 / 2) · · · cot(θn / 2)) / (log(8 · LB / dB) - 1) [9] (3.14)
Donde:
CF = factor de apantallamiento para ánodos dispuestos en forma lineal.
θn = cot -1
(LB / (n · S))
FC = ( fn / (4 · π · ε) - θ ) / (30.48 · k) [14] (3.15)
Donde:
FC = factor de apantallamiento para ánodos dispuestos en forma curva.
k = 1 / ρ
θ = ∆ / ( n· LB)
fn = 0.4404· log(n) + 1.2095
66
∆3
= 0.0928· log(S / LB) - 0.4034
ε = radio equivalente al perímetro del circuito dado por: ε = L1 + DT / 2
La resistencia ánodo - relleno corregida se calcula con la ecuación 3.16 para ánodos
dispuestos linealmente y con la ecuación 3.17 para ánodos dispuestos circularmente.
RAR = RAR* · CF / n [9] (3.16)
RAR = RAR* + FC [14] (3.17)
El valor de la resistencia relleno - tierra para múltiples ánodos en paralelo se calcula
utilizando la ecuación de E. D. Sunde4
[16].
RRT = ρ · (ln (8 · LB/dB) - 1 + 2 · LB / S · ln(0.656 · n)) / (2 · π · LB · 30.48 · n) (3.18)
3.4.7. Cálculo de la corriente drenada por la cama anódica
La corriente liberada por cada cama anódica se calcula por la siguiente fórmula:
ID = ∆V / (RAS + RC) [5] (3.19)
Donde:
ID = corriente drenada por el lecho (A).
∆V = diferencia de potencial estructura - ánodo polarizado (V).
El voltaje de operación o diferencia de potencial estructura - ánodo polarizado se
calcula con la siguiente ecuación:
3
Las correlaciones para calcular fn y ∆ se obtienen a partir de las Figuras 56 y 57 de cathodic protection of
pipeline and storange tanks.
4
La ecuación de Sunde se reduce a la ecuación de Dwight cuando se tiene sólo un ánodo por cama anódica.
67
∆V = | EA | - | Em | - 0.1 [13] (3.20)
Donde:
| EA | = valor absoluto del potencial del metal anódico (V).
| Em | = valor absoluto del potencial de la estructura (V).
0.1 = factor de polarización del ánodo.
3.4.8. Cálculo del tiempo de vida del lecho anódico
El tiempo de vida del lecho anódico depende de su peso, de la corriente drenada y del
equivalente electroquímico de la aleación de la cual está fabricado.
T = η · FU · W1 · αT / ( 8760 · ID) [15] (3.21)
Donde:
T = tiempo de vida del lecho anódico (años).
η = eficiencia de corriente del ánodo de sacrificio (Tabla 11).
FU = factor de utilización, generalmente 0.75.
αT = salida de corriente teórica del material anódico (A - hr / lb).
8760 = número de horas en un año.
3.4.9. Cálculo del número de lechos
Si la corriente drenada por la cama anódica es mayor que la corriente requerida debe
emplearse un lecho anódico en caso contrario el número de lechos anódicos se
calcula con la ecuación 3.22 y se aproxima al entero mayor.
m = IT / ID (3.22)
68
Donde:
m = número de lechos anódicos.
3.4.10. Cálculo del espaciamiento teórico entre lechos anódicos
El cálculo del espaciamiento teórico entre lechos anódicos se aplica únicamente al
módulo de tuberías.
X = L / m (3.23)
Donde:
X = espaciamiento teórico entre lechos anódicos (m).
L = longitud de la sección (m).
3.4.11. Criterios de convergencia
3.4.11.1. Verificación de la longitud protegida
La verificación de la longitud protegida se aplica únicamente al módulo de tuberías y
se calcula por la ecuación 3.24, una vez calculada se aproxima al múltiplo de 100
inferior, si es menor que la longitud de la sección se utiliza el método de
aproximación que se indica en el numeral 3.3.12 de lo contrario se verifica el
siguiente criterio de convergencia, teniendo en cuenta que para múltiples tramos de
tubería que presentan continuidad eléctrica si la longitud protegida es mayor que la
longitud del tramo debe calcularse la corriente sobrante del tramo empleando para
ello las ecuaciones 3.25 a 3.27.
LP = m · X (3.24)
69
LS = LP - L (3.25)
AS = δ - LS (3.26)
IS = DC · AS (3.27)
Donde:
LP = longitud protegida (m).
LS = longitud sobrante del tramo (m).
AS = área sobrante del tramo (m2
).
3.4.11.2. Verificación del tiempo de vida del lecho anódico
Si el tiempo de vida del lecho anódico calculado es menor que el tiempo de vida
requerido se aplican el métodos de aproximación del numeral 3.3.12 de lo contrario
se verifica el siguiente criterio de convergencia para el módulo de tuberías o se
emiten los resultados si se trata de los otros módulos.
3.4.11.3. Criterio de convergencia para optimización en tuberías
El criterio de convergencia para optimización en tuberías consiste en verificar si el
espaciamiento teórico entre lechos es superior a un límite mínimo determinado con
base en la resistividad y el diámetro de la tubería.
3.4.12. Método de aproximación
Para un número de ánodos con el cual se esta llevando a cabo la respectiva iteración,
se procede a seleccionar el ánodo del peso inmediatamente superior, si no hay más
pesos disponibles se incrementa en uno el número de ánodos, se toma el menor peso
70
de ánodo disponible y se continúan el proceso desde el cálculo de la resistencia total
del conductor eléctrico, si se llega al número de ánodos límite para el módulo de
cálculo empleado se finaliza el proceso recomendando la utilización de corriente
impresa. Éste método de aproximación garantiza que los diseños obtenidos presentan
el menor número de ánodos de un tamaño particular dentro de los especificados por el
diseñador por cama anódica, a la vez que se obtiene el menor peso total de material
anódico necesario para efectuar la protección catódica de la estructura si llegar a un
sobredimensionamiento excesivo.
3.5. INTERFAZ USUARIA
El desarrollo del software es 20 % de invención y 80 % de depuración; la depuración
abarca no sólo la verificación y prueba del programa, sino también la elaboración de
un software consistente, interactivo y fácil de manejar, de ahí que, el mayor
porcentaje de calidad en el software lo genera la interfaz.
3.5.1. Presentación de la información
La información que se presenta en la pantalla debe satisfacer las necesidades mínimas
del usuario, para ello utiliza la misma simbología y convenciones constantes en todas
las pantallas, contando con representaciones análogas para la ejecución de funciones,
de tal manera que una acción presenta normalmente dos formas de realizarla:
activando la barra de menú en la opción deseada y buscando la orden a ejecutar, o
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  • 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PROGRAMA PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON ÁNODOS DE SACRIFICIO JORGE CANTOR RODRÍGUEZ NELSON ANÍBAL PINZÓN CASALLAS Santafé de Bogotá D.C. 1.995
  • 2. UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA PROGRAMA PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON ÁNODOS DE SACRIFICIO Director: Ing. Gustavo Vila Casado JORGE CANTOR RODRÍGUEZ NELSON ANÍBAL PINZÓN CASALLAS Trabajo presentado como requisito para optar al título de ingeniero químico. Santafé de Bogotá D.C. 1.995
  • 3. PÁGINA DE ACEPTACIÓN Director ____________________ Ing. Gustavo A. Vila Casado Jurado ____________________ Ing. Héctor A. Barrera Alfaro Jurado ____________________ Ing. José Joaquín Fonseca Dir. Curricular ____________________ Ing. Luis Carballo
  • 4. A mi madre y a los demás Jorge A quienes ... Impulsan mi espíritu al azul, me inspiran para seguir el camino de la preparación; dieran su vida porque en ella avance y toda la dicha porque yo la alcance... A mis padres Nelson
  • 5. AGRADECIMIENTOS Expresamos nuestro reconocimiento a todos aquellos que en una u otra forma colaboraron en la realización de este proyecto, en especial al ingeniero Gustavo Vila Casado por su valiosa y continua orientación durante la realización del mismo y a nuestras familias quienes pacientemente acompañaron nuestra labor.
  • 6. CONTENIDO LISTA DE TABLAS ............................................................................................................IV LISTA DE FIGURAS...........................................................................................................V INTRODUCCIÓN ..............................................................................................................VI 1. GENERALIDADES ......................................................................................................... 1 1.1. FUNDAMENTOS DE CORROSIÓN ......................................................................... 1 1.1.1. Definición.................................................................................................................. 1 1.1.2. Mecanismo básico de la corrosión............................................................................ 2 1.2. PROTECCIÓN CATÓDICA....................................................................................... 5 2. PROTECCIÓN CATÓDICA CON ÁNODOS DE SACRIFICIO................................... 10 2.1. METALES ANÓDICOS............................................................................................ 12 2.1.1. Magnesio................................................................................................................. 13 2.1.2. Cinc ......................................................................................................................... 16 2.2. RELLENO ANÓDICO .............................................................................................. 18 2.3. VIDA DEL ÁNODO.................................................................................................. 19 2.4. CONDUCTORES ELÉCTRICOS............................................................................. 20 2.5. OTROS MATERIALES UTILIZADOS EN SISTEMAS CON ÁNODOS DE SACRIFICIO............................................................................................................. 21 2.5.1. Conectores eléctricos .............................................................................................. 21 2.5.2. Resistencias eléctricas............................................................................................. 22 2.6. CAMBIOS EN LOS REQUERIMIENTOS DE CORRIENTE................................. 22 2.7. CRITERIOS DE PROTECCIÓN CATÓDICA......................................................... 23 2.8. REQUERIMIENTOS DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN................................... 25 2.9. RECUBRIMIENTOS................................................................................................. 27
  • 7. II 2.10. RESISTIVIDAD ELÉCTRICA ............................................................................... 29 2.11. ESTRUCTURAS PROTEGIDAS CATÓDICAMENTE........................................ 30 2.11.1. Tuberías................................................................................................................. 31 2.11.1.1. Tuberías cortas - pequeñas................................................................................. 31 2.11.1.2. Tuberías cortas - grandes ................................................................................... 32 2.11.1.3. Tuberías grandes ................................................................................................ 32 2.11.1.4. Redes de tuberías ............................................................................................... 33 2.11.2. Tanques y soportes de tanques.............................................................................. 34 2.11.3. Otras estructuras.................................................................................................... 35 3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE............................................................. 37 3.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL SOFTWARE........................................ 38 3.2. ESTRUCTURA DEL SOFTWARE .......................................................................... 39 3.2.1. Módulos de cálculo................................................................................................. 47 3.2.1.1. Módulo de cálculo para tuberías.......................................................................... 47 3.2.1.2. Módulo de cálculo para fondo de tanques ........................................................... 48 3.2.1.3. Módulo de cálculo para otras estructuras............................................................. 50 3.3. PARÁMETROS DE DISEÑO................................................................................... 50 3.3.1. Entradas iniciales del programa.............................................................................. 50 3.3.1.1. Material de la estructura a proteger ..................................................................... 51 3.3.1.2. Área de la estructura a proteger ........................................................................... 51 3.3.1.3. Vida útil requerida del sistema............................................................................. 52 3.3.1.4. Resistividad del medio (ρ) ................................................................................... 52 3.3.1.5. Conductores eléctricos y espaciamiento entre ánodos......................................... 54 3.3.1.6. Densidad de corriente........................................................................................... 54 3.3.1.7. Otros parámetros.................................................................................................. 56 3.3.2. Base de datos........................................................................................................... 57 3.4. ALGORITMO DE CÁLCULO.................................................................................. 59 3.4.1. Determinación de los requerimientos totales de corriente...................................... 61 3.4.2. Inicialización del cálculo ........................................................................................ 62 3.4.3. Selección del material anódico y su tamaño........................................................... 62 3.4.4. Cálculo del peso del material anódico por lecho .................................................... 62
  • 8. III 3.4.5. Cálculo de la resistencia total del conductor eléctrico............................................ 63 3.4.6. Cálculo de la resistencia ánodo - suelo................................................................... 64 3.4.7. Cálculo de la corriente drenada por la cama anódica.............................................. 66 3.4.8. Cálculo del tiempo de vida del lecho anódico ........................................................ 67 3.4.9. Cálculo del número de lechos ................................................................................. 67 3.4.10. Cálculo del espaciamiento teórico entre lechos anódicos..................................... 68 3.4.11. Criterios de convergencia...................................................................................... 68 3.4.11.1. Verificación de la longitud protegida................................................................. 68 3.4.11.2. Verificación del tiempo de vida del lecho anódico............................................ 69 3.4.11.3. Criterio de convergencia para optimización en tuberías.................................... 69 3.4.12. Método de aproximación ...................................................................................... 69 3.5. INTERFAZ USUARIA.............................................................................................. 70 3.5.1. Presentación de la información............................................................................... 70 3.5.2. Despliegue de ayudas.............................................................................................. 72 4. DISEÑOS PROTOTIPOS DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA ................ 73 4.1. EJEMPLO 1: DISEÑO DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA UNA TUBERÍA............................................................................................. 74 4.1.1. Resultados ............................................................................................................... 75 4.1.2. Análisis de resultados.............................................................................................. 78 4.2. EJEMPLO 2: DISEÑO DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA FONDOS DE UN GRUPO DE TANQUES.................................................. 80 4.2.1. Resultados ............................................................................................................... 81 4.2.2. Análisis de resultados.............................................................................................. 82 BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................ 85
  • 9. LISTA DE TABLAS TABLA 1. Serie galvánica práctica (suelos neutrales y agua) ..................................... 4 TABLA 2. Composición química porcentual de aleaciones de magnesio para ánodos de sacrificio................................................................................................ 16 TABLA 3. Composición química porcentual de aleaciones de cinc para ánodos de sacrificio..................................................................................................... 18 TABLA 4. Rellenos químicos para ánodos galvánicos ............................................... 19 TABLA 5. Potenciales recomendados para protección catódica ............................... 24 TABLA 6. Requerimientos de corriente para protección catódica............................. 26 TABLA 7. Densidades de corriente recomendadas para protección catódica........... 27 TABLA 8. Agresividad de los terrenos para estructuras de acero ............................. 30 TABLA 9. Dimensiones de tuberías de acero ............................................................. 53 TABLA 10. Resistencia de conductores de cobre para ánodos de sacrificio ............. 54 TABLA 11. Características de los ánodos de sacrificio ............................................. 57 TABLA 12. Dimensiones de ánodos de magnesio....................................................... 58 TABLA 13. Dimensiones de ánodos de cinc ............................................................... 58 TABLA 14. Parámetros de diseño para la protección catódica de una tubería (ejemplo 1) ................................................................................................. 75 TABLA 15. Requerimientos de corriente de protección (ejemplo 1).......................... 76 TABLA 16. Resultados opción estándar ..................................................................... 77 TABLA 17. Resultados opción Mg H-1....................................................................... 77 TABLA 18. Resultados opción Mg-High potential de 32 lb........................................ 77 TABLA 19. Resultados opción Mg H-1 de 32 lb......................................................... 78 TABLA 20. Número de ánodos calculados ( ejemplo 1 )............................................ 79 TABLA 21. Resultados para el sector 1 (ejemplo 2)................................................... 81 TABLA 22. Resultados para el sector 2 (ejemplo 2)................................................... 81 TABLA 23. Número de ánodos calculados ( ejemplo 2 )............................................ 82
  • 10. LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. Diagrama general de Pourbaix................................................................. 6 FIGURA 2. Diagrama general de Evans para un sistema de corrosión...................... 7 FIGURA 3. Protección catódica por corriente impresa............................................... 9 FIGURA 4. Protección catódica con ánodos galvánicos ........................................... 11 FIGURA 5. Diagrama general de flujo ...................................................................... 40 FIGURA 6. Diagrama de flujo para módulos de manejo de archivos ....................... 41 FIGURA 7. Diagrama de flujo para los módulos de base de datos ........................... 42 FIGURA 8. Diagrama general de flujo para los módulos de diseño ......................... 43 FIGURA 9. Diagrama de flujo de las subrutinas de los módulos de diseño.............. 44 FIGURA 10. Diagrama de flujo para el manejo del menú en los módulos de diseño 45 FIGURA 11. Diagrama de flujo de las subrutinas básicas ........................................ 46 FIGURA 12. Esquemas de distribución de camas anódicas para la protección externa de fondos de tanques. ................................................................ 49 FIGURA 13. Características geométricas de los ánodos de sacrificio...................... 59 FIGURA 14. Gráfica de resultados ( ejemplo 1 )....................................................... 79 FIGURA 15. Gráfica de resultados (ejemplo 2: sector 1).......................................... 83 FIGURA 16. Gráfica de resultados (ejemplo 2: sector 2).......................................... 83
  • 11. INTRODUCCIÓN El desarrollo industrial del país durante los últimas décadas ha motivado la construcción e instalación de diferentes tipos de estructuras metálicas de las cuales por factores técnicos y ambientales un gran porcentaje son subterráneas; considerando que la corrosión suele ser relativamente alta en éste tipo de estructuras se hace vital la presencia de un control adecuado de la misma; dentro de los métodos utilizados para ello el más apropiado es la protección catódica. La técnica de protección catódica la inició Sir Humprey Davy en el año de 1824, instalando ánodos de una aleación de cinc en el casco de los buques navales. La aplicación de la protección catódica a estructuras subterráneas surgió en Estados Unidos e Inglaterra alrededor de 1910, hoy en día su uso es casi universal. Actualmente el dimensionamiento de sistemas de protección catódica en el país se realiza utilizando ecuaciones empíricas ya comprobadas combinadas con algunas consideraciones básicas lo que en conjunto constituye un proceso muy dispendioso del cual la realización de cálculos repetitivos ocupa la mayor parte.
  • 12. VII Con el fin de reducir al mínimo los cálculos de diseño se pueden implementar ayudas computacionales. Las herramientas computacionales en cualquier proceso de diseño cubren un amplio espectro: desde programas para la simulación y modelamiento numérico de geometrías muy particulares hasta programas para la realización de alguna parte de los cálculos. En el diseño de sistemas de protección catódica dada la gran variedad de materiales, geometrías y criterios prácticos que se consideran, lo más recomendable es crear programas de aplicación general que permitan integrar las ecuaciones anteriormente descritas con los criterios existentes; considerando ésto se desarrolló y elaboró un software para el diseño de sistemas de protección catódica con ánodos de sacrificio, buscando que los sistemas dimensionados presenten un mayor nivel de análisis, pudiendo ser optimizados. El software elaborado se encuentra en el disquete incluido en el presente trabajo. El trabajo esta dividido en cuatro capítulos, en el primero se presentan los fundamentos teóricos de la corrosión y la protección catódica. En el segundo capítulo se trata el tema de la protección catódica con ánodos de sacrificio incluyendo los criterios de diseño utilizados y los diversos tipos de estructuras metálicas enterradas que se pueden proteger. En el tercer capítulo se da una descripción general del software (información requerida, proceso de cálculo, estructuración e interfaz). Finalmente en el cuarto capítulo se incluyen diseños prototipos que muestran la aplicación del software.
  • 13. 1. GENERALIDADES 1.1. FUNDAMENTOS DE CORROSIÓN 1.1.1. Definición La corrosión puede definirse como la degradación de un metal por la interacción con el medio que lo rodea. De acuerdo con el tipo de interacción la corrosión será química o electroquímica; la primera implica la reacción del metal con un medio no iónico y se presenta a elevadas temperaturas; la segunda involucra en forma simultánea un transporte de electricidad a través de un electrolito, generando una disminución espontánea en la energía de la celda o pila de corrosión, a éste grupo pertenecen la corrosión atmosférica, la corrosión en soluciones salinas, en agua de mar, en soluciones ácidas y la corrosión en suelos entre otras. En cualquiera de los casos se presenta una transformación del metal a su forma nativa como mineral. La corrosión en sentido más amplio es un fenómeno natural, por medio del cual los sistemas químicos expresan su tendencia hacia un estado de equilibrio estable [13].
  • 14. 2 1.1.2. Mecanismo básico de la corrosión Para que un proceso de corrosión electroquímico se presente son necesarias condiciones tales como: 1. Un ánodo y un cátodo. 2. Una diferencia de potenciales entre el ánodo y el cátodo, la cual puede deberse a: • Contacto entre metales diferentes. • Variación en la composición química en diferentes puntos sobre la superficie de un metal. • Imperfecciones superficiales del metal. • Tensiones residuales como resultado de los procesos de fabricación. • Presencia de bacterias sulfato reductoras. 3. Conexión eléctrica entre el cátodo y el ánodo (generalmente están en la misma estructura). 4. El ánodo y el cátodo deben estar en contacto con un electrolito. La humedad atmosférica o del suelo satisfacen ésta condición [17]. Una vez alcanzadas éstas condiciones en el ánodo el metal se corroe o disuelve, ésto puede visualizarse como el paso del metal a un ión metálico o como la pérdida de uno o más electrones del átomo metálico, lo que eléctricamente puede escribirse como: M M n+ + ne - metal ión metálico electrones como etapa posterior a ésta reacción el ión metálico pasa al estado mineral de menor potencial, generalmente a óxidos.
  • 15. 3 En el cátodo el metal no reacciona pero sobre su superficie se presentan reacciones de reducción, que dependiendo del electrolito serán: • Desprendimiento de hidrógeno en medios acuosos: 2 H + + 2 e - H2 ↑ • Reducción del oxígeno si éste esta presente en medios neutros o alcalinos: 2 H2O + O2 + 4 e - 4 OH - • Reducción del oxígeno si esta presente en medios ácidos y aireados, la cual puede darse en forma simultánea con el desprendimiento de hidrógeno. O2 + 4H + + 4 e - 2 H2O La diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo es la diferencia algebraica de sus potenciales individuales en relación con un mismo electrodo de referencia. Como normalmente no se emplean metales puros sino aleaciones, es fundamental conocer el comportamiento electroquímico de dichos materiales, por ello se han desarrollado las series galvánicas prácticas en diversos electrolitos, como la presentada en la Tabla 1, donde los metales con menores potenciales se denominan activos o anódicos y se oxidan cuando se encuentran unidos a metales de mayor potencial. La velocidad de disolución de un metal es directamente proporcional a la cantidad de corriente que fluye y la cantidad total de metal disuelto es proporcionar a la cantidad de electricidad que ha circulado por él; según la ley de Faraday [11].
  • 16. 4 TABLA 1. Serie galvánica práctica (suelos neutrales y agua) METAL POTENCIAL (V)1 Magnesio comercialmente puro - 1.75 Aleación de magnesio (6 % Al, 3 % Zn, 0.15 % Mn) - 1.6 Cinc - 1.1 Aleación de aluminio (5 % Zn) - 1.0 Aluminio comercialmente puro - 0.8 Acero medio - 0.5 a - 0.8 Hierro dulce - 0.2 a - 0.5 Hierro fundido - 0.5 Plomo - 0.5 Acero en concreto - 0.2 Cobre, latón y bronce - 0.2 Hierro fundido alto silicio - 0.2 Acero inoxidable - 0.2 Carbón, grafito y coque + 0.3 La velocidad de corrosión disminuye como resultado de los efectos de los productos de las reacciones anódicas y catódicas; es posible medir éstos efectos en términos de potencial del metal sobre el cual están ocurriendo las reacciones, de tal forma que el potencial de la superficie del metal catódico cambia a un valor menos noble y de igual forma en la superficie anódica se observa que el cambio de potencial es en sentido contrario, aumenta a un valor más noble. Ésta variación en el potencial de los electrodos, cuando circula corriente por ellos se conoce como polarización. 1 Referido al electrodo de cobre / sulfato de cobre
  • 17. 5 1.2. PROTECCIÓN CATÓDICA Existen diversas formas de prevenir la corrosión que dependen de la naturaleza de la misma; la prevención de la corrosión puede llevarse a cabo en el diseño de los equipos, con uso de técnicas electroquímicas o por acción sobre el medio de trabajo. Dentro de las técnicas electroquímicas de control de la corrosión la protección catódica es tal vez el más eficaz e importante de los métodos de protección, ya que puede aplicarse para evitar la corrosión de todos los metales y aleaciones estructurales; al mismo tiempo que puede eliminar los efectos de corrosión por baja tensión, corrosión con fatiga y el ataque en forma de picadura. El mecanismo de éste sistema de protección se basa en la polarización catódica del metal a proteger mediante la acción de una corriente continua externa la cual lleva el potencial de la superficie del metal hasta un valor de potencial de protección; esto es, bajar el potencial del metal a proteger hasta un valor en el cual no se corroa; de acuerdo con la Figura 1 es llevar el potencial del metal desde el punto A en la zona de corrosión hasta un punto B en la zona de inmunidad de un diagrama de potencial - pH, comúnmente denominado diagrama de Pourbaix. Otra forma de observar el proceso de corrosión es mediante el análisis del diagrama de Evans (Figura 2), el cual se obtiene al graficar la curva de polarización catódica para el proceso de reducción y la curva de polarización anódica para el proceso de disolución del metal, donde el punto de intersección de las curvas proporciona la velocidad de corrosión; se observa, que si el potencial se incrementa de Ecorr a A, la
  • 18. 6 velocidad de disolución del metal aumenta de icorr a iA1 y la velocidad del proceso de reducción decrece desde icorr a iA2. CORROSIÖN A PASIVACIÓN INMUNIDAD BE pH FIGURA 1. Diagrama general de Pourbaix Por otro lado si el potencial se disminuye hasta B, la velocidad de disolución del metal disminuye desde icorr hasta iB1 y la velocidad del proceso de reducción aumenta de icorr a iB2. Sin embargo ni el potencial A ni el potencial B pueden alcanzarse en forma espontánea, dado que en el primer caso hay un exceso de electrones liberados iA1-iA2 (ineta = iA - | iB| ), estos electrones extras deben retirarse a través de un circuito externo y en el segundo caso se presenta una deficiencia de electrones por consumo iB2 - iB1, esta deficiencia se suple a través de un circuito externo. En general para alcanzar potenciales por encima de Ecorr, los electrones deben retirarse del metal y para situar el potencial por debajo de Ecorr, es necesario suministrar electrones. Con base en el diagrama de Evans puede afirmarse que al potencial de corrosión, Ecorr, las velocidades de las reacciones anódica y catódica son iguales en magnitud pero de signos opuestos y que esta velocidad es igual a la velocidad de corrosión natural o libre. También se deduce que por debajo de Eeqa es termodinámicamente
  • 19. 7 imposible que ocurra la disolución del metal. De igual forma por encima de Eeqc, la reacción catódica no sucede [17]. Eeqa Eeqc A Curva de polarización catódica E Ecorr icorr log |i| iA1iA2 iB1iB2 B Curva de polarización anódica FIGURA 2. Diagrama general de Evans para un sistema de corrosión La corriente continua externa se descarga por medio de una conexión enterrada (cama anódica enterrada), durante la descarga de corriente los materiales de la cama están sujetos a la corrosión a velocidad más baja que la usualmente presentada por los metales de las estructuras que se protegen; por lo tanto, puede decirse que la protección catódica en términos estrictos no elimina la corrosión, sino que la desplaza de la estructura y la concentra en otro sitio conocido [11]. El fenómeno de protección catódica puede examinarse a partir de la ecuación fundamental de corrosión como se muestra a continuación: I = R Ea - Ec Donde:
  • 20. 8 I = corriente de corrosión que fluye del ánodo hacia el cátodo. Ea - Ec = diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo en la misma estructura. R = suma de la resistencia de salida de la corriente del ánodo hacia el electrolito, con la resistencia de entrada de la corriente del electrolito hacia el cátodo. Por la ecuación, verificamos que cuando existe una diferencia de potencial (Ea - Ec) sobre la superficie de una estructura enterrada y cuando la resistencia ( R ) posee un valor finito, la corriente de corrosión ( I ) fluye, generando el proceso corrosivo en el área anódica; de tal forma que la corrosión se anula haciendo la diferencia de potenciales entre el área anódica y catódica igual a cero o aumentando infinitamente el valor de la resistencia, lo que puede conseguirse mediante la aplicación de un revestimiento perfecto; solución económicamente inviable. Para la protección de estructuras con máxima economía son usados los esquemas mixtos de protección, los cuales consisten en emplear un revestimiento con buenas características aislantes y de bajo costo complementado con un sistema de protección catódica [5]. Para la aplicación de un sistema de protección catódica existen dos técnicas: el método galvánico o con ánodos de sacrificio, el cual se tratará en el siguiente capítulo y el método por corriente impresa. En la protección catódica por corriente impresa el suministro de corriente directa se realiza desde de una fuente externa de fuerza electromotriz generalmente rectificadores. En conjunto con los rectificadores, el método por corriente impresa utiliza ánodos, en cuanto sea posibles inertes tanto en agua como en suelo, una instalación típica de corriente impresa puede observarse en la Figura 3.
  • 21. 9 Redes eléctricas Rectificador Nivel del suelo Estructura metálica Cama de ánodos (-) (+) FIGURA 3. Protección catódica por corriente impresa Es necesario realizar consideraciones tanto técnicas y como económicas al hacer la selección de cual método de protección catódica sería el más recomendable; dado que cada método presenta ventajas y desventajas características.
  • 22. 2. PROTECCIÓN CATÓDICA CON ÁNODOS DE SACRIFICIO En la protección catódica con ánodos de sacrificio la corriente necesaria para la protección se logra uniendo la estructura a proteger a un ánodo galvánico haciendo innecesario el uso de una fuente eléctrica externa. El ánodo galvánico o electrodo auxiliar es un metal más electronegativo que la estructura a proteger y cuando se une a ella, dentro de un electrolito como el suelo o el agua, adquiere comportamiento anódico, liberando la corriente necesaria para la protección de la estructura, formándose así una pila galvánica, como se muestra en la Figura 4. La corriente emitida por el ánodo penetra la estructura a través del suelo o el agua, eliminando las corrientes de corrosión y retornando a su punto inicial por medio de un conductor, generalmente de cobre. Para la protección de estructuras enterradas se emplean eficazmente los ánodos de magnesio y de cinc y para estructuras inmersas se utilizan ánodos de aluminio y en algunas ocasiones de cinc.
  • 23. 11 Nivel del suelo Estructura Metálica Cama Anódica Relleno Ánodo Conductor de cobre Flujo de Corriente FIGURA 4. Protección catódica con ánodos galvánicos Los ánodos galvánicos se entierran en conjunto con una mezcla (generalmente yeso, bentonita y sulfato de sodio), que se utiliza como relleno conductor, cuyo fin es disminuir la resistividad eléctrica ánodo - suelo, reducir los efectos de polarización del ánodo y garantizar un desgaste uniforme en toda la superficie anódica. Las características más importantes de un ánodo galvánico son: su potencial en circuito abierto (potencial medido con respecto al suelo, utilizando un electrodo de referencia), su contenido teórico de energía (expresado normalmente en A - hr / kg) y su eficiencia. Las principales ventajas de la utilización de los ánodos galvánicos para proteger una estructura enterrada frente al uso de corriente impresa son: • No requiere suministro de corriente alterna. • Los costos de mantenimiento e instalación son más bajos.
  • 24. 12 • Raramente aparecen problemas de interferencia con otras estructuras metálicas enterradas. • Utilización más eficiente de la corriente de protección. Por otra parte presenta desventajas tales como: • La cantidad de corriente suministrada a una estructura metálica esta limitada por la diferencia de potencial entre los ánodos y la estructura. • La protección será más difícil si las resistividades eléctricas del suelo local no son suficientemente bajas. • Los costos de implementación de un sistema de ánodos galvánicos serán muy altos si los requerimientos de corrientes son grandes, ésto es, si el recubrimiento se halla en mal estado o la estructura es de grandes dimensiones, como en el caso de oleoductos y otros sistemas de transporte con diámetros considerables. • Si la estructura metálica se encuentra influenciada por fugas de corriente provenientes, por ejemplo, de líneas de alta tensión, los ánodos galvánicos serán poco eficientes [5]. El método de protección catódica con ánodos galvánicos o de sacrificio normalmente se escoge cuando se requiere poca cantidad de corriente para proteger estructuras, lo que se da con revestimientos de buena calidad y en estructuras de pequeñas dimensiones y cuando el suelo en el cual se ubica la estructura tiene baja resistividad eléctrica, normalmente inferior a 6000 ohm - cm. 2.1. METALES ANÓDICOS Los metales más comúnmente usados como ánodos galvánicos son el magnesio, el cinc y el aluminio, éste último tiene teóricamente un contenido mayor de energía que
  • 25. 13 los dos primeros, pero hasta ahora no ha encontrado una aplicación práctica en estructuras enterradas, por su baja eficiencia en suelos, por ende no será considerado en el proyecto. 2.1.1. Magnesio El magnesio puro permite manejar un voltaje de 850 mV para la protección de acero, pero experimentalmente se ha demostrado una muy rápida corrosión con muy baja eficiencia. Algunas aleaciones comerciales con aproximadamente 150 mV menos de voltaje manejado se han ensayado demostrando ser satisfactorias en una gran variedad de electrolitos. Estas aleaciones han sido utilizadas extensivamente en la fabricación de ánodos de sacrificio. El magnesio y muchas de sus aleaciones bajas se corroen rápidamente en soluciones acuosas, el metal puro se disuelve en ácido con rápida evolución de hidrógeno y desprendimiento de calor, el metal no es anfótero y no es fuertemente atacado por álcalis. En electrolitos acuosos la disolución se presenta con desprendimiento de iones hidrógeno, de acuerdo con: Mg + 2 H + Mg ++ + H 2↑ la reacción es un proceso irreversible en un potencial menos negativo que el sugerido por la teoría y porque en ésta la concentración de la sal metálica dentro del electrolito
  • 26. 14 tiene poco efecto sobre el potencial del metal. Tres propiedades del magnesio lo hacen utilizable como ánodo de sacrificio: posee un alto manejo de voltaje para la protección de acero, tiene un bajo equivalente electroquímico y tiene buenas propiedades de polarización anódica. El potencial de un pedazo de magnesio puro inmerso en una solución de sal acuosa diluida es -1.70 V respecto al electrodo de cobre/sulfato de cobre. Así, éste es anódico respecto a los metales comunes acero, plomo, aluminio, cobre y cinc. Si la corrosión del magnesio se considera como una reacción divalente, entonces su equivalente electroquímico teórico es de 1000 A - hr / lb o 9 lb / A - año. Algunos duplican estos valores pero sobre una reacción monovalente manejando 500 A - hr / lb o 17.5 lb / A - año. Eficiencias mayores al 50 % rara vez son reportadas. La oxidación de la forma monovalente a la divalente puede ocurrir, pero ésta reacción no contribuye al uso de corriente del ánodo. Los productos de la reacción anódica producen una elevada solubilidad de cloruros y sulfatos, cuya presencia impide la polarización. En agua fresca o en electrolitos en los cuales no se contenga ninguno de estos iones el hidróxido y el carbonato pueden formarse, pero estos no polarizan notablemente el ánodo, la introducción de muy pequeñas cantidades de iones sulfatos o cloruros producen la inmediata despolarización.
  • 27. 15 Éstos iones se adicionan dentro del electrolito como relleno cuando se espera deficiencia, el metal se consume unifórmente pasando a ser una esfera. Existen tres factores que influyen sobre la eficiencia del magnesio como metal anódico: 1. Densidad de corriente: 2. Composición del ánodo. 3. Medio ambiente. La eficiencia se incrementa a altas densidades de corriente pero generalmente la más alta eficiencia se obtiene con densidades por encima de 100 mA / pie2 . Ciertas aleaciones de 6 % de Al y 3 % de Zn (magnesio bimetálico) permiten alcanzar eficiencias más altas que el magnesio sólo, la razón de esto es la menor velocidad de corrosión parásita en las aleaciones. Metales más nobles particularmente aquellos con voltaje superior al del hidrógeno, pueden causar la corrosión parásita; el cobre, hierro y níquel, son impurezas de ésta clase encontradas en el magnesio comercial. Los metales como plomo, estaño, cadmio y cinc parecen tener poca influencia sobre el comportamiento del ánodo. Dos series de aleaciones de ánodos son empleadas; en suelos. particularmente de alta resistividad se usan ánodos de alta pureza y en agua de mar se utilizan ánodos de baja pureza que son más económicos. Los ánodos de alta pureza más recientemente desarrollados incluyen 1 % de Mn en lugar de Al y Zn permitiendo manejar 200 mV más de voltaje e incrementando por encima de 25 % el voltaje para el acero polarizado. En la Tabla 2 se presenta las aleaciones de mayor uso en la fabricación de ánodos de magnesio.
  • 28. 16 TABLA 2. Composición química porcentual de aleaciones de magnesio para ánodos de sacrificio ELEMENTO ELEMENTAL BIMETÁLICO ELECTROLÍTICO COMPOSICIÓN OPTIMA Al 0.003 3.5 - 6.7 2.6 - 3.5 2.6 - 6.7 Zn — 2.5 - 3.5 0.9 - 1.2 0.9 - 3.5 Mn 0.8 > 0.15 > 0.15 > 0.2 Si 0.005 < 0.3 < 0.3 < 0.1 Cu 0.003 < 0.05 < 0.05 < 0.05 Ni 0.001 < 0.03 < 0.03 < 0.02 Fe 0.03 < 0.003 < 0.003 < 0.03 Po — — — < 0.04 Sn — — — < 0.05 Be — — — < 0.0028 El magnesio bimetálico comercialmente se conoce como magnesio H-1 y el magnesio electrolítico como magnesio high potential. 2.1.2. Cinc El cinc puede dar un potencial de -1.10 V respecto al electrodo de cobre / sulfato de cobre y manejar voltajes de 0.25 V en la protección catódica del acero. La corrosión del cinc se lleva a cabo por una reacción divalente, con una eficiencia cercana al 100%. El consumo teórico del ánodo es de 23 lb / A - año y en la práctica de 25 lb / A - año son consumidas. El cinc suspendido en agua o enterrado no se corroe rápidamente por reacciones parásitas y los ánodos de aleaciones mantienen altas eficiencias a muy bajas densidades de corriente. La corrosión del cinc es muy
  • 29. 17 uniforme, aunque ánodos de alta pureza dejan una gran superficie granular visible que ocasiona pérdida adicional del metal hacia el final de la vida del ánodo, por aislación eléctrica ocurrida entre los granos. El comportamiento de un ánodo de cinc depende de dos parámetros, la aleación particular de cinc usada para su fabricación y el medio dentro del cual se ubica. Si una varilla de cinc con algunas ppm de cualquier impureza se usa como ánodo, ésta polariza cerca de 20 mV dando un excelente comportamiento, presentando un consumo bajo independiente de las variaciones en la densidad de corriente. Las propiedades y composiciones de las aleaciones de cinc usadas en ánodos de sacrificio se han dividido en dos grupos, de acuerdo con que se utilicen en el mar o en otro electrolito. En suelos o rellenos, el cinc con 99.99 % de pureza es empleado satisfactoriamente. En la Tabla 3 se presentan las aleaciones típicas para ánodos de cinc. El bajo voltaje manejado limita el uso del cinc a suelos con una baja resistividad, excepto cuando se utiliza para proteger estructuras muy bien recubiertas. El cinc es sensible a la temperatura presentando inversión del voltaje manejado en relación con el acero a 70 °C en agua; por lo cual el cinc no puede emplearse para la protección de cilindros de almacenamiento de agua caliente [11].
  • 30. 18 TABLA 3. Composición química porcentual de aleaciones de cinc para ánodos de sacrificio ELEMENTO ALTA PUREZA MUY ALTA PUREZA Zn 99.9 99.99 Pb 0.07 0.006 Fe 0.02 0.005 Cd 0.07 0.004 2.2. RELLENO ANÓDICO La efectividad de operación de los ánodos de sacrificio instalados directamente en tierra es baja, debido principalmente a la formación de películas de los productos de la corrosión en su superficie; además se presenta la corrosión rápida y total de los ánodos de sacrificio, debido a las variaciones del suelo. Para una mejor operación en instalaciones enterradas, los ánodos se rodean de materiales que los mantengan en estado activo ( relleno anódico o backfill ), lo cual evita la formación de las películas de los productos de corrosión, disminuyendo además la disolución del metal anódico y la resistencia a tierra. Para cada metal que se utiliza como ánodo de sacrificio existe una composición optima del relleno químico, sin embargo, el componente básico es el yeso, debido a su bajo costo y a que su poca solubilidad en el agua permite utilizarlo por un largo periodo sin que requiera cambiarlo. En la Tabla 4 se observan las mezclas más frecuentemente utilizadas; en suelos de baja humedad se emplea el relleno tipo A, el
  • 31. 19 cual permite mantener características de humedad apropiadas por su alto contenido de bentonita, el relleno B comúnmente empleado para los ánodos de cinc, la mezcla tipo C se emplea para ánodos de cinc o magnesio en suelos muy húmedos o pantanosos para evitar el posible arrastre del relleno, el relleno D por su baja resistividad es empleado en suelos de muy alta resistividad para reducir la resistencia ánodo - suelo. Es posible encontrar el relleno asociado con el ánodo galvánico, lo que comúnmente se denomina “ánodo empacado”. TABLA 4. Rellenos químicos para ánodos galvánicos TIPO YESO % BENTONITA % SULFATO DE SODIO % RESISTIVIDAD ( ohm - cm ) A 25 1 75 0 300 B 50 1 50 0 300 C 50 2 50 0 300 D 75 1 20 5 50 1 Yeso hidratado 2 Yeso moldeado 2.3. VIDA DEL ÁNODO El ánodo dará un tiempo de vida razonable si puede mantener sus propiedades electroquímicas y su consumo es suficientemente lento. El tiempo de vida puede depender de la velocidad de disolución del metal de acuerdo con la ley de Faraday y la eficiencia con la cual éste proceso ocurre; definiéndose ésta como la carga de A - hr real sobre la teórica; la baja eficiencia puede ser ocasionada por la corrosión parásita, la cual causa la corrosión del ánodo sin liberar completamente la corriente.
  • 32. 20 Un importante parámetro en la determinación de la vida útil del ánodo es la velocidad de consumo del volumen del metal anódico, la que se halla influenciada por la forma y tamaño del ánodo más que por su masa, la cual afecta su resistencia dentro del electrolito. El consumo del ánodo puede ser proporcional al total de carga liberado, pero la velocidad de consumo en cualquier punto sobre la superficie del ánodo dependerá de su densidad de corriente; en los bordes, esquinas y otros puntos la densidad de corriente puede ser más grande y el ánodo se corroerá más rápidamente allí [11]. 2.4. CONDUCTORES ELÉCTRICOS En los sistemas de protección catódica las tensiones involucradas son bajas y por tanto, la tensión no es factor importante en la selección de los conductores. Para el dimensionamiento de los cables se deben tener en cuenta los siguientes factores: 1. Resistencia eléctrica; es importante que los conductores presenten una baja resistencia, debido a que primordialmente en los sistemas de protección catódica por ánodos de sacrificio se manejan muy bajas tensiones y cualquier aumento en la resistencia puede ser significativo. 2. Conducción de corriente; las intensidades de corriente manejadas en los sistemas de ánodos galvánicos son muy bajas, en la mayoría de los casos, los cables de 6 mm2 de sección transversal permiten en forma satisfactoria la conducción de corriente, siendo los más utilizados.
  • 33. 21 3. Revestimiento aislante; es de fundamental importancia la especificación adecuada del revestimiento de los cables, para que soporten las condiciones de trabajo exigidas, tratándose de bajas tensiones y bajas corrientes, es usual instalar los cables directamente en el suelo. Un deterioro del revestimiento puede acarrear la absorción de humedad, que próxima a las conexiones causa oxidación introduciendo resistencias adicionales en el circuito. 2.5. OTROS MATERIALES UTILIZADOS EN SISTEMAS CON ÁNODOS DE SACRIFICIO Además de los ánodos, del relleno y los conductores, se requiere para un adecuado funcionamiento de los sistemas de protección catódica con ánodos de sacrificio otros materiales, entre los cuales se referencian los conectores y las resistencias eléctricas. 2.5.1. Conectores eléctricos Es esencial para los sistemas de protección catódica una perfecta continuidad eléctrica del circuito. Las conexiones eléctricas deben hacerse con soldadura, si es posible o por medio de conectores eléctricos, los conectores de presión son satisfactorios desde que su ajuste se apropiado. Es imprescindible que tales conexiones sean perfectamente aisladas para evitar el contacto directo con el electrolito.
  • 34. 22 2.5.2. Resistencias eléctricas Con el objetivo de limitar la corriente drenada por los ánodos, cuando se comprueba que tal corriente es muy alta, es factible introducir una resistencia de valor adecuado en el circuito empleándose para ello un reostato. En sistemas galvánicos ésta práctica es común cuando se emplean ánodos de magnesio [5]. 2.6. CAMBIOS EN LOS REQUERIMIENTOS DE CORRIENTE Dentro de ciertas limitaciones es posible diseñar una instalación de protección catódica con ánodos de sacrificio, pese a que tal diseño es relativamente simple los parámetros naturales en los que se basa pueden no permanecer constantes. El consumo de material anódico produce cambios en la resistencia del ánodo, la estructura igualmente puede verse afectada y sus requerimientos de corriente variar, ésto puede deberse a que la naturaleza alcalina de las reacciones causa una polarización sobre las sales de calcio y magnesio o una alta resistencia del recubrimiento tal como un asfalto puede deteriorarse naturalmente. La variación en los parámetros de diseño, cualquiera que sea, trae como consecuencia cambios en los requerimientos de corriente de protección, llegando a disminuir hasta en un 50 % cuando se presenta la formación de capas calcáreas sobre estructuras marinas, o incrementarse hasta 20 veces por el deterioro del recubrimiento o por daños en la superficie del cátodo [11].
  • 35. 23 2.7. CRITERIOS DE PROTECCIÓN CATÓDICA Pese a que el principio fundamental de la protección catódica es la generación de una corriente positiva sobre toda la superficie del metal a proteger, la determinación de éste valor como criterio de protección es muy variable, debido a que ésta se halla ligada a la polarización catódica, la cual depende de la naturaleza del ambiente; ésto conduce a considerar el potencial de la estructura como el parámetro de protección más confiable. La utilización del valor de potencial como criterio de protección dependen del metal a proteger, variando únicamente por acción de altas temperaturas (donde se recomienda un incremento de -2 mV / °C) y por la presencia de bacterias sulfato reductoras (donde se sugiere un incremento de -0.1 V referido al electrodo de cobre/sulfato de cobre). Los valores usualmente recomendados se muestran en la Tabla 5.
  • 36. 24 TABLA 5. Potenciales recomendados para protección catódica METAL A PROTEGER E (Cu / CuSO4) Hierro y acero en ambiente aeróbico - 0.85 V Hierro y acero en ambiente anaeróbico (acción - 0.95 V Plomo - 0.6 V Estaño - 0.7 V Níquel - 0.8 V Aleación a base de cobre - 0.5 a - 0.65 V Aluminio limite positivo - 0.95 V Aluminio limite negativo - 1.2 V Cobre - 0.2 V Otro criterio, también utilizado, consiste en promover, mediante la aplicación de la corriente de protección catódica, un incremento negativo mínimo de 0.3 V (en algunos casos 0.25 V es suficiente), sobre el potencial natural ( potencial medido antes de la utilización del sistema de protección catódica ) de la estructura. Éste criterio es válido cualquiera que sea el electrodo de referencia usado. Cuando se desconoce el potencial de protección de determinada aleación o material metálico, un criterio seguro de protección es incrementar su potencial en -0.3 V, siendo para materiales anfóteros (cinc, aluminio y estaño) suficiente una variación de -0.15 V; estos metales no pueden polarizarse con potenciales más negativos que -1.2 V, pues sufren corrosión severa, llamada corrosión catódica, debido a los altos valores de pH desarrollados, que tornan el medio muy alcalino.
  • 37. 25 2.8. REQUERIMIENTOS DE CORRIENTE DE PROTECCIÓN La corriente necesaria para la protección catódica depende fundamentalmente de varios factores: • Área a proteger y condiciones del revestimiento. • Resistividad eléctrica del suelo. • Dificultad de polarización de la estructura. • Forma geométrica de la estructura. Debido a las grandes variaciones existentes en los factores arriba mencionados, ya sea de una estructura a otra o de la misma estructura, se puede afirmar que la única manera de disponer con precisión de la corriente necesaria para la protección, es por medio de pruebas de campo; empleando para ello una fuente de generación de d.c. para realizar envíos de corriente y un lecho auxiliar de ánodos, normalmente de chatarra de hierro. El cambio de voltaje por unidad de amperaje da una indicación de la corriente requerida para alcanzar el potencial de protección deseado.
  • 38. 26 TABLA 6. Requerimientos de corriente para protección catódica MEDIO CORRIENTE REQUERIDA (mA / pie2 ) Estéril, suelo neutral 0.4 - 1.5 Suelo neutral bien aireado 2.0 - 3.0 Suelo bien aireado seco 0.5 - 1.5 Suelo húmedo 2.5 - 6.0 Suelo altamente ácido 5.0 - 15.0 Suelo con bacterias sulfato reductoras Hasta 42.0 Caliente en el suelo 5.0 - 25.0 Concreto seco 0.5 - 1.5 Concreto húmedo 5.0 - 25.0 Agua fresca estacionaria 5.0 Agua fresca en movimiento 5.0 - 6.0 Agua fresca altamente turbulenta con oxigeno disuelto 5.0 - 15.0 Agua caliente 5.0 - 15.0 Agua de estuario contaminada 50 - 150 Agua de mar 5.0 - 25.0 Químicos, soluciones alcalinas o ácidas 5.0 - 25.0 Aceros bien revestidos en suelos 0.01 - 0.02 Aceros bien revestidos con detector de fugas 0.001 o menos En muchos casos existen ventajas técnicas y económicas que determinan la necesidad de diseñar el sistema de protección catódica antes de construir la estructura que desea protegerse; en dichas circunstancias se recurre entonces a la experiencia adquirida en casos semejantes y a valores disponibles en la literatura, como los presentados en las Tablas 6 y 7, los cuales dan una idea aproximada de la magnitud de la corriente requerida; ya que variaciones en el ambiente afectan la polarización catódica y por ende los requerimientos de corriente [17].
  • 39. 27 TABLA 7. Densidades de corriente recomendadas para protección catódica ESTRUCTURA DENSIDAD DE CORRIENTE (mA / pie2 ) Tuberías 1 - 2 Paredes de pozos profundos 1 Fondo de tanques parte externa 1 Parte interna de tanques 5 - 10 Tanques de proceso 7 - 10 Estructuras en agua de mar 5 - 15 Estructuras en zonas pantanosas 1 - 2 2.9. RECUBRIMIENTOS Sin importar que sistema de protección catódica se aplique sobre una estructura, es necesario emplear recubrimientos aislantes sobre la superficie del metal a proteger. El objetivo de los recubrimientos es separar la estructura metálica del medio en el cual se encuentra ofreciéndole protección contra la corrosión; sin embargo, cuando se presentan zonas con imperfecciones se da la formación de una celda galvánica, donde las zonas dañadas actúan como ánodos y el resto de la estructura como cátodo produciéndose una corrosión acelerada en forma de picadura; por lo que se hace indispensable el empleo de la protección catódica para eliminar dicha celda y lograr una protección eficiente a un costo razonable, de no ser así, los requerimientos de corriente serían extremadamente altos ( con un buen revestimiento se pueden lograr reducir mil o más veces la corriente requerida) [18].
  • 40. 28 La combinación del sistema de protección catódica y de recubrimiento debe adecuarse de tal forma que se logre el máximo grado de protección; por ende debe tenerse en cuenta, por un lado, que una alta sobreprotección incrementa la evolución de hidrógeno sobre la superficie catódica; éste gas puede causar daño en el recubrimiento y producir fragilidad en el metal si entra al mismo; por otro lado, de acuerdo con las otras reacciones electroquímicas que tienen lugar igualmente en el cátodo, pueden producir un incremento de la alcalinidad cerca a éste, por lo cual es indispensable que el recubrimiento sea resistente en medios alcalinos; finalmente un recubrimiento debe presentar el menor grado de absorción de agua posible, debido a que la misma cuando viaja a través del recubrimiento puede formar burbujas provocando desadhesión del recubrimiento; fenómenos como la electro - ósmosis (proceso que se presenta cuando el agua y otras sustancias viajan en la misma dirección de la corriente), pueden incrementar la absorción de agua en un recubrimiento [11]. Los recubrimientos compatibles y resistentes a la protección catódica (bituminosos, resinas epóxicas, cauchos clorinados, cintas plásticas de polietileno o cloruro de polivinilo y alquitrán de hulla) no constituyen un mayor costo en la instalación de tuberías. Se ha estimado que estos costos actualmente están entre el 4.5 % y el 8 % del costo total de instalación, dependiendo del tipo de sistema de aplicación del revestimiento usado. Independiente de la naturaleza de los recubrimientos ( termofijos o termoplásticos), es aún complicado diferenciar los métodos de aplicación empleados, de cualquier modo son cuatro los generalmente usados: vertimiento del
  • 41. 29 recubrimiento fundido, extrusión (lateral o longitudinal), rociado electrostático de recubrimientos en polvo y espumado o moldeo sobre la estructura. Fallas en los recubrimientos causan incrementos en los costos, obligando a un mantenimiento exigente, lo que hace de vital importancia la realización de pruebas en los materiales antes y después de su aplicación [18]. 2.10. RESISTIVIDAD ELÉCTRICA Uno de los parámetros más importantes en la corrosión y la protección catódica es la resistividad eléctrica de un electrolito; ésta es una propiedad del material, la cual esta definida con base en la medición de la resistencia entre las caras opuestas de un cubo especifico de material, las unidades empleadas usualmente son ohm / cm3 y ohm / pie3 , al hacerla independiente de las dimensiones, la resistividad eléctrica se convierte en una propiedad intrínseca cuyas unidades pueden ser escritas como ohm - cm2 / cm o ohm - cm. La resistividad de los electrolitos comunes varía considerablemente de uno a otro, así, para el agua de mar se tienen valores entre 20 y 30 ohm - cm y para la roca de granito hasta 500000 ohm - cm. Mientras el agua de mar es un electrolito uniforme, el suelo y las rocas presentan una alta heterogeneidad. La resistividad del suelo y las rocas varía notablemente con el contenido de agua y de su porosidad; de igual manera el valor de la resistividad de un terreno presenta aumento cuando la temperatura disminuye, registrando valores elevados al llegar al congelamiento; existen diversas correlaciones que permiten realizar correcciones sobre la resistividad
  • 42. 30 por porosidad y temperatura de medio, siendo apropiada su aplicación en regiones donde se presentan estaciones [11]. Cuando el electrolito es un suelo se puede indicar la agresividad del mismo en relación con las estructuras de acero con base en la magnitud de su resistividad, como se observa en la Tabla 8. TABLA 8. Agresividad de los terrenos para estructuras de acero AGRESIVIDAD RESISTIVIDAD (ohm - cm ) Baja Más de 10000 Media De 2000 a 10000 Elevada De 1000 a 2000 Alta De 500 a 1000 Muy alta Menos de 500 2.11. ESTRUCTURAS PROTEGIDAS CATÓDICAMENTE Las estructuras metálicas que reciben protección catódica se pueden dividir en tres grupos; aquellas que son enterradas en el suelo constituyen el primero y éste incluye tuberías tanques y fundiciones; el segundo grupo comprende estructuras que se hallan inmersas en agua fresca y de mar y el tercer grupo lo forman aquellas estructuras que contienen un electrolito. Por ser el objetivo del proyecto la protección catódica de estructuras metálicas enterradas solo se tratara el primer grupo.
  • 43. 31 2.11.1. Tuberías Las tuberías de acero son ampliamente utilizadas para el transporte y distribución del petróleo y sus derivados, productos químicos, agua, gas y más recientemente, productos sólidos como mineral de hierro y fosfato. Por cuestiones de seguridad estas tuberías son enterradas y protegidas contra la corrosión, constituyéndose en la principal aplicación de los sistemas de protección catódica. Las tuberías pueden dividirse para el propósito de protección catódica en dos clases: tuberías cortas en las cuales la resistencia eléctrica longitudinal es suficientemente pequeña para ser considerada equipotencial y tuberías largas o tuberías donde su resistencia longitudinal puede jugar un papel importante en el diseño, construcción e instalación de sistemas de protección catódica. Éstas clases pueden subdividirse además en tuberías de pequeños y grandes diámetros. Las tuberías de pequeños diámetros son aquellas en las cuales la relación diámetro a profundidad es tan pequeña que los efectos de superficie no son apreciables sobre la distribución del potencial eléctrico alrededor de la tubería; las tuberías de grandes diámetros son aquellas en las cuales la superficie del suelo tiene un considerable efecto sobre la corriente y la distribución de potencial alrededor de la tubería. 2.11.1.1. Tuberías cortas - pequeñas Usualmente se encuentran como transportadoras de productos de servicios para un consumidor y pueden llevar gas, agua, petróleo, o cables eléctricos. En general éstas
  • 44. 32 tuberías son de acero y una gran proporción de ellas son galvanizadas; el efecto del galvanizado se puede asimilar al de un recubrimiento, reduciendo los requerimientos de corriente para la protección catódica; metales como plomo, aluminio y cobre también se emplean en la fabricación de éste tipo de tuberías. 2.11.1.2. Tuberías cortas - grandes Similar a las tuberías cortas - pequeñas pero diferenciándose de éstas por su gran diámetro, éstas incluyen longitudes cortas enterradas o sobre la tierra, líneas cortas aisladas o secciones cortas de tuberías entre cuplas aislantes. La diferencia entre éstas dos clases es la variación de la distribución del potencial del suelo alrededor de la tubería. 2.11.1.3. Tuberías grandes La mayoría de grandes tuberías se emplean para el transporte de combustible o de otros productos sobre grandes distancias, la protección catódica de las mismas se lleva a cabo de dos maneras; considerando las tuberías como una serie de tramos de corta longitud, los cuales pueden recibir protección de ánodos de sacrificio o pequeños sistemas de corriente impresa o considerando la longitud total de la tubería, lo que usualmente es preferido, protegiéndose la misma por un simple o un numero pequeño de instalaciones que generalmente emplean la técnica de corriente impresa, la corriente de protección fluye a lo largo de la tubería metálica y la caída de potencial en ésta puede ser de gran significancia para la protección.
  • 45. 33 2.11.1.4. Redes de tuberías Las tuberías rara vez son unidas en grupo a lo largo de la misma ruta o conectadas a una serie de contenedores presentando continuidad eléctrica, como sucede dentro de una refinería. Para la aplicación de protección catódica las redes de tuberías pueden dividirse en tres grupos: tuberías en paralelo, bifurcaciones y redes cercanamente agrupadas. Las aplicaciones del primer grupo varían con respecto a las tuberías normales por dos condiciones, primero, si las tuberías están suficientemente cerca causan algún apantallamiento o interferencia y segundo si tuberías que poseen diferentes recubrimientos o resistencias lineales se unen eléctricamente, el grado de protección variará; si se encuentran tuberías pobremente revestidas en suelos de alta resistividad las tuberías externas pueden normalmente recibir más protección, los ánodos de sacrificio pueden dar una buena protección adicional, pero la eficiencia de éstos se halla limitada por los requerimientos de corriente y la resistividad del suelo. El segundo grupo de redes de tuberías son las bifurcaciones, siendo el mejor sitio para la aplicación de la protección catódica el mismo punto de bifurcación. El tercer grupo lo constituyen las redes que se encuentran en plantas químicas, refinerías y zonas urbanas muy pobladas y donde las tuberías pueden agruparse y cruzarse entre sí, hallándose muy raras veces todas interconectadas. La protección catódica de tales redes implica un control sobre la posición de los ánodos, utilizando
  • 46. 34 dos métodos, el primero consiste en el uso de ánodos o lechos remotos y la corriente de protección es drenada desde la estructura por una serie de cátodos unidos cuya resistencia se controla para alcanzar la protección deseada; el método tiende a ser efectivo y económico en zonas de baja resistividad, su eficiencia no es del 100% debido a que algunas tuberías causan interferencias locales sobre otras haciendo necesario el empleo de ánodos de sacrificio para proporcionar la protección adicional. El segundo método consiste en la distribución de la protección con pequeñas unidades en toda la red. Los ánodos de sacrificio se emplean de acuerdo con los requerimientos de corriente estimados y a la salida de corriente esperada en un suelo particular, éste método necesita usualmente una medición extensiva y ánodos adicionales en relación con el diseño original. Un pequeño sistema de corriente impresa se puede emplear controlando sus grandes salidas de corriente en el lugar de la cama anódica. 2.11.2. Tanques y soportes de tanques Mucho tanques y contenedores de diversos productos son construidos con una base de acero la cual descansa sobre la tierra. Los asentamientos de la base son usualmente construidos de roca y cubiertos posteriormente con una capa de arena o tierra que presenta una superficie uniforme para la placa del fondo. La corrosión se presenta en ésta superficie y en aquellas partes donde hay presencia de agua u otras condiciones agresivas, ésta corrosión puede ser rápida.
  • 47. 35 Cuando los tanques se hallan agrupados e interconectados por una red de tuberías, puede inducirse la formación de una gran celda, la corrosión presente en éste caso puede reducirse considerablemente por la preparación cuidadosa del fondo del tanque y por un incremento grande en la resistencia del electrolito. La protección catódica puede usarse para una completa protección contra la corrosión de la placa del fondo. Idealmente la protección puede aplicarse sobre tanques perfectamente recubiertos; pero un recubrimiento tal es difícil de obtener además usualmente la aplicación de un sistema de protección catódica se encuentra influenciada enormemente por las condiciones de heterogeneidad del suelo en que reposa el tanque, siendo tal la influencia que el valor de su resistividad varía desde el centro hasta su borde. Al emplear ánodos galvánicos, éstos se pueden distribuir en diversos arreglos de acuerdo con la naturaleza del terreno, cuando se desea proteger uno o más tanques los ánodos pueden distribuirse uniformemente, formar un sólo lecho o cuando las condiciones del terreno son difíciles pueden enterrarse profundamente, aunque éste método es solamente práctico si las capas inferiores del terreno presentan una baja resistividad. 2.11.3. Otras estructuras Además de las estructuras metálicas tratadas anteriormente, se ha encontrado que construcciones tales como las tuberías verticales empleadas en perforación y explotación de pozos de gas y petróleo, soportes metálicos enterrados, grandes placas en forma de muro empleadas en excavaciones, soportes de construcciones, embarcaderos, tanques de pequeña capacidad y diversa geometría y otras estructuras
  • 48. 36 donde la corrosión pueda representar grandes costos necesitan protección catódica. Los sistemas de protección catódica empleados en estos tipos de estructuras (usualmente ánodos de sacrificio) se pueden implementar de una forma eficiente, realizando consideraciones sobre la geometría particular de estructura y la naturaleza del medio, en conjunto con criterios de protección apropiados para lograr una distribución de corriente lo más uniforme posible sobre la superficie de la estructura [13].
  • 49. 3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SOFTWARE Actualmente el diseño de sistemas de protección catódica se realiza utilizando ecuaciones empíricas combinadas con consideraciones prácticas; pero éste es un proceso amplio e iterativo que busca satisfacer requerimientos permitiendo que los factores y variables que fundamentan un aspecto sean consistentes con otros, todos los cálculos para el dimensionamiento de sistemas de protección catódica pueden facilitarse mediante el uso de los microcomputadores; con lo cual se obtiene un hábil manejo de la información, rapidez en el tiempo de respuesta y lo más importante confiabilidad en los resultados obtenidos. La descripción del proceso de desarrollo y elaboración del software, constituye básicamente un recuento histórico de las observaciones, análisis y actividades realizadas, lo cual resulta extenso y tedioso; por lo tanto, el presente capítulo se dedicará a describir la forma en que se encuentra estructurado el software desarrollado para el diseño de sistemas de protección catódica con ánodos de sacrificio, para hacer más clara la descripción se incluyen las consideraciones que fundamentan algunos de los aspectos del programa.
  • 50. 38 Analizando las diferentes herramientas para el desarrollo de softwares disponibles fue considerada como la más apropiada el Turbo C, debido a que presenta: • Compatibilidad con aplicaciones numéricas. • Posibilidad para elaborar interfaces simples y bases de datos. • Facilidad de manejo. • Gran variedad de funciones. • Posibilidad de acoplar gráficos sencillos con las aplicaciones. 3.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL SOFTWARE Puede afirmarse que el software posee uniformidad y un alto grado de compactación. Siendo la uniformidad el indicativo del grado en que la interfaz utiliza notación y formatos consistentes, aplica restricciones e incluye excepciones a algunas reglas. La compactación se refiere a la cantidad de información que presenta la interfaz y que debe retener la memoria humana; los atributos que miden el grado de compactación de la interfaz son: • El número de comandos utilizados. • El número de funciones y operaciones. • La cantidad de colores empleados. • La variedad y cantidad de mensajes de error. • Los métodos abreviados para acceder a las funciones. • El número de validaciones y chequeos de las entradas. Por el análisis de éstos atributos el programa se puede considerar compacto, presentando por ello una solidez y potencia tal que permite una fácil asimilación de
  • 51. 39 su interfaz, obteniéndose un alto nivel de eficiencia al operarlo, pero sin convertirse en un medio con pocas capacidades de ampliación, actualización y transportabilidad. 3.2. ESTRUCTURA DEL SOFTWARE El programa comienza exhibiendo una serie de pantallas de presentación, para posteriormente desplegar el menú principal, el cual constituye el área de acceso a las diferentes aplicaciones que constituyen el software. La secuencia básica de activación de las utilidades desde el menú principal se presentan en la Figura 5. Las aplicaciones pueden dividirse de acuerdo con la función que desempeñan en: • Módulos para el manejo de archivos. • Módulos para el manejo de la base de datos. • Módulos de cálculo. • Ayudas. Los módulos para el manejo de archivos permiten la consulta e impresión de archivos de resultados y ayudas disponibles; la forma en que se encuentran estructurados se puede observar en la Figura 6. En la Figura 7 se presenta el proceso para la revisión y modificación de la base de datos. Los esquemas generales de las operaciones para la realización de cálculos de diseño de sistemas de protección catódica con ánodos de sacrificio para diferentes tipos de estructuras metálicas enterradas se dan en las Figuras 8, 9 y 10.
  • 52. 40 FIGURA 5. Diagrama general de flujo Inicio Inicializar monitor ErrorPresentación Menú principal Menú Fín Pantalla de cierre Fín 1 1 Mensaje Imprimir archivos Base de datos Diseñar Ayuda * Salir Ayudas Abrir archivos Leer tecla Ayuda * El archivo desplegado indica el uso del teclado Opción Selección Pantalla de cierre Fín 1 1 F3 F2 ESC ENTER USO INDICE D B A I D: DISEÑAR B: BASE DE DATOS A: ABRIR I: IMPRIMIR no si si no si no ENTER ESC
  • 53. 41 FIGURA 6. Diagrama de flujo para módulos de manejo de archivos Subrutina abrir archivos Inicio Leer nombre Fín 2 2 Fín Leer archivo Error 2 Muestra página Fín Desplaza página si F3 CANCELAR Selección Opción ACEPTAR ENTER MODIFICAR no F3 PgUp PgDn Subrutina imprimir archivos Inicio Leer nombre Fín 3 3 Fín Leer archivo Error 3 Fín si F3 CANCELAR Selección Opción ACEPTAR ENTER MODIFICAR no F3 Imprimir F5 3
  • 54. 42 FIGURA 7. Diagrama de flujo para los módulos de base de datos Inicio Fín Fín Leer archivo CANCELAR F3 Dimensión de ánodos Muestra datos Fín Dimensión de ánodos Imprimir Adiciona Leer n Adicionar n Elimina Leer n Eliminar n Selección Opción Fín Imprimir Opción Dimensión de ánodos Salvar 4 4 4 F3F4 F4 F5 F6 si no no si no si no si si no Leer dato 4 ENTER F3 Muestra gráfico ENTER MATERIAL
  • 55. 43 FIGURA 8. Diagrama general de flujo para los módulos de diseño Inicio Inicializar variables Segunda pantalla Fín Resultados 5 Salvar Imprimir Menú Salir Leer dato Selección Fín Múltiples tramos primera pantalla 5 Tecla Ultima pantalla Leer tecla ENTER Flechas Desplaza cursor Salvar Imprimir Fín 5 Cálculos de diseño F3 F2 F4 F6 ENTER F5 S C I F F: FINALIZAR S: SALVAR C: CONTINUAR I: IMPRIMIR sino si no no si si no no si
  • 56. 44 Subrutina abrir Inicio Leer nombre Fín 6 6 Fín Leer archivo Error Fín si F3 CANCELAR Selección ACEPTAR ENTER MODIFICAR no Subrutina nuevo Inicio Leer nombre Fín 7 7 Fín Existe Fín si F3 CANCELAR Selección ACEPTAR ENTER MODIFICAR no Inicializar variables 6 sobreescribir 6 si no Crear archivo Subrutina imprimir Inicio Inicializar impresora Error Mensaje Imprimir documento Fín si no FIGURA 9. Diagrama de flujo de las subrutinas de los módulos de diseño
  • 57. 45 FIGURA 10. Diagrama de flujo para el manejo del menú en los módulos de diseño Inicio Distribuciones Archivos Selección Fín Leer tecla ESC Imprimir Fín Fín Fín Selección tubería Selección opción de cálculo Selección de tipo cable AbrirNuevo Selección tipo ánodo Selección material ENTER Fín ESC I N A SF M T O C D M: MATERIAL si no si no F: DISTRIBUCIONES N: NUEVO I: IMPRIMIR S: SALIR A: ABRIR T: TIPO DE ÁNODO O: OPCIÓN DE CÁLCULO C: CABLE D: DIÁMETRO
  • 58. 46 Subrutina ayuda Subrutina salvar Inicio Inicio Leer archivo Muestra ayuda Leer tecla ESC Fín Abrir archivo Unidad Grabar Datos Grabar Datos Cerrar archivo Fín Diskette Disco duro Leer tecla Tecla con función Ayuda Inicio Subrutina opción F1 Fín Flecha Desplazar cursor Ayuda Subrutina selección Leer tecla Tecla con función Inicio F1 Fín no si si no si no si no si no no si FIGURA 11. Diagrama de flujo de las subrutinas básicas
  • 59. 47 En la Figura 11 se presenta proceso que se lleva a cabo al desplegar las ayudas, realizar la selección de una aplicación, salvar parámetros de diseño y resultados. 3.2.1. Módulos de cálculo El programa se ha dividido en tres módulos independientes de cálculo, de acuerdo con el tipo de estructura a proteger. 3.2.1.1. Módulo de cálculo para tuberías De acuerdo con el número de secciones para los cuales se desea realizar el diseño y la disposición de las mismas, el usuario dispone de las tres opciones siguientes de cálculo: • Un tramo de tubería, la cual hace referencia a una tubería o a una sección de tubería que presenta continuidad eléctrica en toda su longitud. • Una tubería dividida en múltiples tramos, que presenta continuidad eléctrica en toda su longitud. • Múltiples tramos independientes de tubería, los cuales pueden o no presentar continuidad eléctrica. Si bien, las diferentes secciones de una tubería se pueden considerar cada una como un único tramo y utilizar la primera opción de cálculo para su diseño, ésto resulta tedioso debido a la gran cantidad de información que se debe ingresar, máxime cuando se desea optimizar un diseño y dado que mucha de la información necesaria es común para todas las secciones se implementaron las dos últimas opciones, con el fin de agilizar la realización de un diseño determinado.
  • 60. 48 3.2.1.2. Módulo de cálculo para fondo de tanques Para la protección catódica externa del fondo de un tanque o de un grupo de tanques pueden emplearse diversos esquemas de distribución de las camas anódicas los cuales se presentan en la Figura 12 y determinan las opciones de cálculo de este módulo: • Ánodos ubicados en dos camas anódicas rectas. • Ánodos en camas anódicas circulares a los tanques. • Ánodos ubicados en un lecho anódico recto. • Una cama anódica central recta. • Diversas camas anódicas rectas de múltiples ánodos. • Diversas camas anódicas de sólo un ánodo.
  • 61. 49 FIGURA 12. Esquemas de distribución de camas anódicas para la protección externa de fondos de tanques 1.Ánodos galvánicos ubicados en dos lechos rectos. 2. Ánodos galvánicos ubicados en lechos circulares a los tanques. 4. Ánodos galvánicos ubicados en lecho central recto. 3. Ánodos galvánicos ubicados en un lecho recto. 5. Diversas camas anódicas rectas de múltiples ánodos galvánicos. 6.Diversas camas anódicas de sólo un ánodo galvánico. Ánodo galvánico TanqueCama anódica
  • 62. 50 3.2.1.3. Módulo de cálculo para otras estructuras Para estructuras metálicas enterradas de geometrías diferentes a tuberías o a fondos de tanques, se diseño un módulo general de cálculo en el cual se presentan dos opciones para el diseño del sistema de protección: • Protección catódica utilizando camas anódicas de sólo un ánodo. • Protección catódica usando una cama anódica de múltiples ánodos. 3.3. PARÁMETROS DE DISEÑO Para el dimensionamiento de un sistema de protección catódica se precisa de una información técnica de la estructura a proteger y de los materiales utilizados, que en conjunto con las mediciones de campo, constituyen los datos fundamentales para la elaboración del diseño, siendo denominados parámetros de diseño, con el fin de alcanzar un más claro y rápido entendimiento del software y su algoritmo de cálculo se describe en forma breve y concisa la información básica involucrada en el diseño de un sistema de protección catódica. 3.3.1. Entradas iniciales del programa Las entradas iniciales proveen la información necesaria para la ejecución del software, constituyéndose en el punto de partida para la realización de los cálculos de diseño del sistema de protección catódica, estos parámetros se describen a continuación.
  • 63. 51 3.3.1.1. Material de la estructura a proteger Usualmente se protegen catódicamente estructuras de hierro y acero en ambientes aeróbicos, en las cuales el potencial de protección (Em) recomendado es -0.85 V referido al electrodo de cobre/sulfato de cobre, para estructuras de otros materiales los potenciales recomendados se pueden observar en la Tabla 5 del capítulo 2, si no se especifica el material de la estructura a proteger, el programa considerara que se trata de hierro o acero en ambiente aeróbico. 3.3.1.2. Área de la estructura a proteger El área de la estructura a proteger se obtiene a partir de la forma geométrica de la estructura, considerándose únicamente la superficie de la estructura en contacto directo con el medio corrosivo, en éste caso el suelo, expresado en m2 . De acuerdo con el tipo de estructura el área es determinada por el programa con base en la información ingresada, así: • Para tuberías se emplea la siguiente expresión: A = 0.3048 δ· L (3.1) Donde: A = Área del tramo (m2 ). δ = superficie exterior por pie lineal (pie2 / pie), la que se obtiene con el diámetro nominal ( plg ), empleando la Tabla 9. L = longitud del tramo correspondiente (m). • Para fondos de tanques.
  • 64. 52 A = N π D2 / 4 (3.2) Donde: A = Área total a proteger (m2 ). N = Número de tanques. D = Diámetro de los tanques. • Para otras estructuras se debe ingresar directamente el área a proteger expresada en m2 . 3.3.1.3. Vida útil requerida del sistema La vida útil requerida del sistema, hace referencia al mínimo tiempo de servicio en años, que debe cumplir el sistema de protección catódica y el cual puede ser igual al tiempo de vida útil de la estructura que se desea proteger. 3.3.1.4. Resistividad del medio (ρ) La resistividad del medio se obtiene por mediciones de campo a diferentes profundidades, usualmente entre 1 y 6 m, empleándose el valor promedio de la resistividad a una misma profundidad en ohm - cm. Para tuberías se debe disponer de datos para cada tramo en que se divida la misma. Cabe destacar que la eficiencia del sistema diseñado se ve afectada en forma directa por el grado de desviación de los valores de resistividad respecto al valor promedio empleado para los cálculos de diseño. Por otra parte, la ubicación de cada una de las camas anódicas debe realizarse en lugares donde la resistividad presente concordancia con los valores empleados en los cálculos, dado que el drenaje de
  • 65. 53 corriente y el tiempo de vida útil del sistema, son función de la resistividad, así por ejemplo, valores bajos de resistividad ocasionan un alto drenaje de corriente y un tiempo de vida corto, llegando estar incluso muy por debajo de los requerimientos para el sistema. TABLA 9. Dimensiones de tuberías de acero TAMAÑO NOMINAL DEL TUBO IPS2 (plg) SUPERFICIE EXTERIOR (pie2 / pie) 1 0.344 2 0.622 3 0.917 4 1.178 5 1.45* 6 1.734 8 2.258 10 2.814 12 3.338 14 3.665 16 4.189 18 4.712 20 5.236 22 5.747 24 6.283 30 7.852* 36 9.43* * Datos tomados de Cathodic Protection Manual of TEXACO, INC. 2 IPS International Pipeline Standars
  • 66. 54 3.3.1.5. Conductores eléctricos y espaciamiento entre ánodos Como ya se había indicado en el segundo capítulo, en los sistemas de protección catódica con ánodos de sacrificio las tensiones manejadas son bajas, por tanto, cualquier incremento en la resistencia del circuito puede ser significativo; por ésto debe tenerse en cuenta: el espaciamiento entre ánodos en una misma cama anódica, la ubicación del primero de ellos respecto a la estructura y el tipo de conductores eléctricos empleados. En la Tabla 10 se presentan los conductores eléctricos y sus respectivas resistencias empleados en protección catódica con ánodos de sacrificio. TABLA 10. Resistencia de conductores de cobre para ánodos de sacrificio TAMAÑO DE CABLE RESISTENCIA (ohm/pie) N° 6 AWG 4.10 x 10-4 N° 8 AWG 6.54 x 10-4 N° 10 AWG 1.04 x 10-3 N° 12 AWG 1.65 x 10-3 N° 14 AWG 2.62 x 10-3 3.3.1.6. Densidad de corriente Cuando se tiene una estructura metálica protegida catódicamente la densidad de corriente (DC’) requerida para lograr la protección esta directamente relacionada con la forma de la estructura y las características propias del medio corrosivo en el cual se encuentra; es por esto, que recientemente han sido desarrolladas expresiones como la
  • 67. 55 ecuación 3.3, para determinar tales valores, la cual relaciona la densidad de corriente DC’ = 73.73 - 13.35· log ρ [5] (3.3) con la resistividad, ecuación que se aplica para terrenos con valores de resistividad comprendidos entre 1000 ohm - cm y 300000 ohm - cm, sin embargo, para valores de resistividad inferiores a 40000 ohm - cm presenta un alto grado de desviación, por lo que no se hace aplicable para los cálculos de protección catódica con ánodos de sacrificio; por ende, los valores de densidad de corriente que se empleen en un diseño de un sistema de protección deben ser, en cuanto sea posible, obtenidos por pruebas directas sobre la estructura, o en su defecto, como ya se había mencionado mediante el empleo de valores recomendados por la literatura como los presentados en las Tablas 6 y 7 del segundo capítulo. Estos últimos empleados con la eficiencia del recubrimiento ( E ) o lo que es lo mismo con el porcentaje de área desnuda, como se muestra en la DC = DC’ · ( 1 - E ) [5] (3.4) ecuación 3.4., donde DC es la densidad de corriente requerida realmente. El valor de la eficiencia es un factor de seguridad adoptado en el dimensionamiento de sistemas de protección catódica, éste valor es particular de la estructura y esta influenciado por las características propias del revestimiento y la experiencia del diseñador; generalmente para revestimientos en excelente estado el valor de la eficiencia es superior al 98 %.
  • 68. 56 Cuando los cálculos de densidad de corriente que se realizan se refieren a fondos de tanques existe una corrección por resistividad, dada en la siguiente forma: DC = DC’ / ER [11] (3.5) siendo ER la eficiencia por resistividad, la cual se determina por: ER = 2 · ρ / ( ρ + ρr ) [11] (3.6) Donde: ρ = resistividad promedio del terreno (ohm - cm). ρr = resistividad del terreno en el centro del tanque (ohm - cm). Siempre que se pueda conocer ρr la corrección puede llevarse a cabo. 3.3.1.7. Otros parámetros Dentro de los parámetros considerados para obtener un diseño adecuado se tienen algunos, que si bien no son estrictamente necesarios, se han incluido para obtener una adecuada organización de la información permitiendo una correcta utilización del software, dentro de tales parámetros se tienen: • Nombre del proyecto: hace referencia al nombre con el cual se desea identificar el diseño. • Número de tramos: éste parámetro se emplea cuando el módulo a ejecutar considera múltiples secciones de tubería, refiriéndose al número de tramos en que fue dividida la línea de tubería para efectos de diseño. El número de tramos se utiliza en el programa para determinar la extensión de arreglos internos del mismo; es decir, determinar la longitud de algunos conjuntos de variables que contienen una misma clase de datos.
  • 69. 57 • Nombre del tramo: hace referencia simplemente a un nombre con el cual se desea indentificar la sección de tubería y puede ser por ejemplo, el nombre de los puntos geográficos del inicio y terminación de la sección de tubería. • Cota superior e inferior: al igual que el número de tramos, solamente tiene validez en aquellas opciones donde se consideran múltiples secciones de tubería, indicando los puntos límites sobre los cuales se extiende una determinada sección de tubería, este parámetro determina en forma indirecta la longitud del tramo de tubería considerado. • Longitud total: éste parámetro tiene sentido cuando se desea diseñar un sistema de protección catódica para una sección de tubería e indica la longitud de la misma. • Material anódico: la selección del material anódico se realiza de acuerdo con la resistividad del terreno sin embargo, el diseñador puede limitar el cálculo a un tipo y tamaño particular de ánodo (cinc, Mg-High Potential o Mg-H1) cuyas características se presentan en la Tabla 11. TABLA 11. Características de los ánodos de sacrificio CARACTERÍSTICA Mg H-1 Mg High Potential Cinc Potencial (Cu / CuSO4) -1.55 -1.75 -1.10 Eficiencia de corriente ( % ) 25 - 50 50 90 Salida de corriente real (A - hr/ lb) 250 - 500 500 335 Salida de corriente teórica (A - hr/ lb) 1000 1000 372 Perdida de peso real (lb / A - año) 35 - 17.5 17.5 26.2 3.3.2. Base de datos La información inicial se complementa con una serie de archivos que constituyen la “base de datos” del software, la cual puede observarse e incluso modificarse mediante
  • 70. 58 el uso de aplicaciones particulares del programa. La base de datos contiene básicamente la siguiente información: • Potenciales recomendados para protección catódica (Tabla 5). • Dimensiones de tuberías de acero (Tabla 9). • Resistencia de los conductores de cobre para ánodos de sacrificio (Tabla 10). • Características de los ánodos (Tabla 11). • Dimensiones de los ánodos galvánicos (Tablas 12 y 13). TABLA 12. Dimensiones de ánodos de magnesio PESO ( lb ) dA (pie) LA (pie) dB (pie) LB (pie) 9 0.282 1.168 0.667 2.168 12 0.374 1.000 0.667 2.000 17 0.374 1.416 0.667 2.416 32 0.470 1.710 0.750 2.710 50 0.658 1.333 0.918 2.333 60 0.423 5.000 0.709 6.000 TABLA 13. Dimensiones de ánodos de cinc PESO ( lb ) dA (pie) LA (pie) dB (pie) LB (pie) 15 0.132 2.500 0.667 3.500 18 0.132 3.000 0.667 4.000 24 0.132 4.000 0.667 5.000 30 0.132 5.000 0.667 6.000 60 0.188 5.000 0.667 6.000 150 0.374 3.000 0.667 4.000 En la Figura 13 se muestran las características geométricas de un ánodo de sacrificio, donde:
  • 71. 59 LA = longitud del ánodo (pie). dA = diámetro del ánodo (pie). LB = longitud de columna completa (ánodo más relleno) (pie). dB = diámetro de columna completa (pie). LB LA dA dB Conductor Relleno químico Ánodo FIGURA 13. Características geométricas de los ánodos de sacrificio 3.4. ALGORITMO DE CÁLCULO Cualquiera que sea la secuencia de cálculo empleada para realizar el diseño de un sistema de protección catódica comprende un proceso, que si bien no es complejo, por ser iterativo puede volverse muy dispendioso si se pretenden realizar los cálculos sin una herramienta apropiada como puede ser un software de aplicación; máxime cuando se deseen realizar cálculos para una tubería de varios cientos de kilómetros y
  • 72. 60 donde las condiciones del medio cambien en forma continua a lo largo de toda su longitud. Actualmente debido a la multiplicidad de variables involucradas en el diseño de protección catódica se pueden plantear diversos algoritmos para realizar los cálculos, sin embargo, la mayor parte de ellos requieren cálculos iterativos, que si bien logran cumplir los criterios de convergencia, no se consideran adecuados para su aplicación en el software, debido a que algunos de ellos producen sobredimensionamientos inapropiados y otros omiten algunos factores que con el tiempo se ven reflejados en un prematuro desgaste del sistema de protección, dejando la estructura desprotegida en sus últimas etapas de servicio. Con el propósito de resolver los inconvenientes presentes en la forma en que se realizan los diseños actuales, se ha elaborado éste software de aplicación, el cual presenta un algoritmo propio de cálculo constituido por las expresiones matemáticas empleadas en los diseños actuales, complementado con criterios prácticos y recomendaciones de la literatura. El algoritmo diseñado presenta las siguientes ventajas: • Rápida convergencia. • Determinación de las características del sistema de protección catódica, teniendo en cuenta las restricciones propias de la estructura protegida. • Garantiza que el tiempo de vida calculado para el sistema nunca será inferior al tiempo de servicio requerido por el usuario.
  • 73. 61 • Determinación rápida de la aplicabilidad de un sistema de protección catódica con ánodos de sacrificio, para los parámetros de diseño especificados. • Permite una rápida asimilación y fácil empleo del software. • Permite la libre manipulación de algunas variables o parámetros de diseño, y su seguimiento, con lo cual se obtiene un diseño o prediseño, técnica y económicamente óptimo en muy corto tiempo. • Da resultados de muy alta confiabilidad. Una vez se ingresan y verifican todos los parámetros de diseño se realizan los cálculos, los cuales utilizando la información disponible buscan un sistema de protección catódica que satisfaga los criterios de convergencia. 3.4.1. Determinación de los requerimientos totales de corriente Los requerimientos totales de corriente se determinan empleando la siguiente formula: IT = A · DC (3.7) Donde: IT = corriente total (A). A = área a proteger (m2 ). DC = densidad de corriente de protección (A/m2 ). La forma de calcular el área y la densidad de corriente se indica en el numeral 3.2.1. Cuando se realiza el cálculo para tuberías dividas en múltiples tramos que presentan continuidad eléctrica debe restarsele a la corriente total la corriente sobrante en el tramo anterior ( IS ) para obtener los requerimientos totales de corriente.
  • 74. 62 3.4.2. Inicialización del cálculo Para el módulo de tuberías se inicializa el cálculo considerando dos ánodos por lecho, dado que en la práctica resulta inconveniente para la protección catódica de tuberías la instalación de camas anódicas de un sólo ánodo para los otros módulos de cálculo se inicializa el mismo con un ánodo por lecho. 3.4.3. Selección del material anódico y su tamaño Si el material anódico y su(s) tamaño(s) no se indican previamente por el diseñador, éste se selecciona automáticamente el material anódico con el valor de la resistividad del terreno así: para resistividades entre 200 ohm - cm y 1500 ohm - cm se considera inicialmente el uso de ánodos de cinc, y para resistividades comprendidas entre 1500 ohm - cm y 6000 ohm - cm se utilizan ánodos de magnesio high potential. Inicialmente se considera el uso de ánodos del menor peso disponible entre los seleccionados. Para los cálculos se consideran las características propias de cada tipo de ánodo, las cuales se encuentran en las Tablas 11, 12 y 13. 3.4.4. Cálculo del peso del material anódico por lecho El peso de material anódico por lecho se determina con la siguiente expresión: W1 = n W (3.8) Donde: W1 = peso del material anódico por lecho (lb).
  • 75. 63 W = peso del material anódico de un ánodo (lb). n = número de ánodos por cama anódica. 3.4.5. Cálculo de la resistencia total del conductor eléctrico La resistencia total del conductor eléctrico se puede calcular por la expresión: RC = RE· (L1 + (n - 1) ·S / 2 ) [3] (3.9) Donde: RC = resistencia total del conductor eléctrico (ohm). RE = resistencia especifica del conductor (ohm / pie), la cual se obtiene a partir de tipo de cable consultando la Tabla 10. S = espaciamiento entre ánodos en un lecho anódico (pie). L1 = distancia estructura cama anódica (pie). Para los módulos de tuberías y otras estructuras L1 es constante e igual a 2.5 m. Para fondos de tanques no será mayor a un diámetro, calculandose por la siguiente expresión: L1 = DT / (n ·ER) [11] (3.10) Donde: DT = diámetro del tanque (pie). ER = eficiencia por resistividad.
  • 76. 64 3.4.6. Cálculo de la resistencia ánodo - suelo La resistencia total ánodo - suelo es igual a la resistencia del ánodo al relleno mas la resistencia a suelo de la misma columna de relleno, lo que se expresa de la siguiente forma: RAS = 1.2 ·(RRT + RAR) [11] (3.11) Donde: RAS = resistencia ánodo - suelo (ohm). 1.2 = factor que considera un 20% de aumento en la resistencia asociado con la disminución del área durante el tiempo de vida. RAR = resistencia ánodo - relleno o resistencia interna del ánodo (ohm). RRT = resistencia relleno - tierra (ohm). La resistencia interna del ánodo sin corregir se calcula utilizando la siguiente expresión: RAR* = RA - RB [3] (3.12) Donde: RAR* = resistencia ánodo - relleno sin corregir (ohm). RA = resistencia columna - ánodo (ohm). RB = resistencia columna completa (ánodo mas relleno) (ohm). Para calcular éstas resistencias existen diferentes ecuaciones de las cuales se usará la de H. Dwight para un ánodo en posición vertical. RV = ρ · (ln (8 · L / d ) - 1 ) / (2 · π · L · 30.48) [16] (3.13)
  • 77. 65 Donde: RV = resistencia vertical (ohm). ρ = resistividad del relleno en el cálculo de la resistencia columna - ánodo o resistividad del terreno en el cálculo de la resistencia columna completa (ohm - cm). L = longitud del ánodo (LA) o longitud de la columna completa (LB) (pie). d = diámetro del ánodo (dA) o diámetro de la columna completa (dB) (pie). La influencia mutua entre los ánodos ocasiona el incremento de la resistencia interna de los mismos lo que se denomina efecto de apantallamiento, el factor de apantallamiento depende de la ubicación de los ánodos dentro de la cama anódica. Para ánodos dispuestos en forma lineal el factor se calcula con la ecuación 3.14 y para ánodos dispuestos en forma curva (esquema aplicado en la protección catódica de fondos de tanques) con la ecuación 3.15. CF = 1 + log((cot(θ2 / 2) · · · cot(θn / 2)) / (log(8 · LB / dB) - 1) [9] (3.14) Donde: CF = factor de apantallamiento para ánodos dispuestos en forma lineal. θn = cot -1 (LB / (n · S)) FC = ( fn / (4 · π · ε) - θ ) / (30.48 · k) [14] (3.15) Donde: FC = factor de apantallamiento para ánodos dispuestos en forma curva. k = 1 / ρ θ = ∆ / ( n· LB) fn = 0.4404· log(n) + 1.2095
  • 78. 66 ∆3 = 0.0928· log(S / LB) - 0.4034 ε = radio equivalente al perímetro del circuito dado por: ε = L1 + DT / 2 La resistencia ánodo - relleno corregida se calcula con la ecuación 3.16 para ánodos dispuestos linealmente y con la ecuación 3.17 para ánodos dispuestos circularmente. RAR = RAR* · CF / n [9] (3.16) RAR = RAR* + FC [14] (3.17) El valor de la resistencia relleno - tierra para múltiples ánodos en paralelo se calcula utilizando la ecuación de E. D. Sunde4 [16]. RRT = ρ · (ln (8 · LB/dB) - 1 + 2 · LB / S · ln(0.656 · n)) / (2 · π · LB · 30.48 · n) (3.18) 3.4.7. Cálculo de la corriente drenada por la cama anódica La corriente liberada por cada cama anódica se calcula por la siguiente fórmula: ID = ∆V / (RAS + RC) [5] (3.19) Donde: ID = corriente drenada por el lecho (A). ∆V = diferencia de potencial estructura - ánodo polarizado (V). El voltaje de operación o diferencia de potencial estructura - ánodo polarizado se calcula con la siguiente ecuación: 3 Las correlaciones para calcular fn y ∆ se obtienen a partir de las Figuras 56 y 57 de cathodic protection of pipeline and storange tanks. 4 La ecuación de Sunde se reduce a la ecuación de Dwight cuando se tiene sólo un ánodo por cama anódica.
  • 79. 67 ∆V = | EA | - | Em | - 0.1 [13] (3.20) Donde: | EA | = valor absoluto del potencial del metal anódico (V). | Em | = valor absoluto del potencial de la estructura (V). 0.1 = factor de polarización del ánodo. 3.4.8. Cálculo del tiempo de vida del lecho anódico El tiempo de vida del lecho anódico depende de su peso, de la corriente drenada y del equivalente electroquímico de la aleación de la cual está fabricado. T = η · FU · W1 · αT / ( 8760 · ID) [15] (3.21) Donde: T = tiempo de vida del lecho anódico (años). η = eficiencia de corriente del ánodo de sacrificio (Tabla 11). FU = factor de utilización, generalmente 0.75. αT = salida de corriente teórica del material anódico (A - hr / lb). 8760 = número de horas en un año. 3.4.9. Cálculo del número de lechos Si la corriente drenada por la cama anódica es mayor que la corriente requerida debe emplearse un lecho anódico en caso contrario el número de lechos anódicos se calcula con la ecuación 3.22 y se aproxima al entero mayor. m = IT / ID (3.22)
  • 80. 68 Donde: m = número de lechos anódicos. 3.4.10. Cálculo del espaciamiento teórico entre lechos anódicos El cálculo del espaciamiento teórico entre lechos anódicos se aplica únicamente al módulo de tuberías. X = L / m (3.23) Donde: X = espaciamiento teórico entre lechos anódicos (m). L = longitud de la sección (m). 3.4.11. Criterios de convergencia 3.4.11.1. Verificación de la longitud protegida La verificación de la longitud protegida se aplica únicamente al módulo de tuberías y se calcula por la ecuación 3.24, una vez calculada se aproxima al múltiplo de 100 inferior, si es menor que la longitud de la sección se utiliza el método de aproximación que se indica en el numeral 3.3.12 de lo contrario se verifica el siguiente criterio de convergencia, teniendo en cuenta que para múltiples tramos de tubería que presentan continuidad eléctrica si la longitud protegida es mayor que la longitud del tramo debe calcularse la corriente sobrante del tramo empleando para ello las ecuaciones 3.25 a 3.27. LP = m · X (3.24)
  • 81. 69 LS = LP - L (3.25) AS = δ - LS (3.26) IS = DC · AS (3.27) Donde: LP = longitud protegida (m). LS = longitud sobrante del tramo (m). AS = área sobrante del tramo (m2 ). 3.4.11.2. Verificación del tiempo de vida del lecho anódico Si el tiempo de vida del lecho anódico calculado es menor que el tiempo de vida requerido se aplican el métodos de aproximación del numeral 3.3.12 de lo contrario se verifica el siguiente criterio de convergencia para el módulo de tuberías o se emiten los resultados si se trata de los otros módulos. 3.4.11.3. Criterio de convergencia para optimización en tuberías El criterio de convergencia para optimización en tuberías consiste en verificar si el espaciamiento teórico entre lechos es superior a un límite mínimo determinado con base en la resistividad y el diámetro de la tubería. 3.4.12. Método de aproximación Para un número de ánodos con el cual se esta llevando a cabo la respectiva iteración, se procede a seleccionar el ánodo del peso inmediatamente superior, si no hay más pesos disponibles se incrementa en uno el número de ánodos, se toma el menor peso
  • 82. 70 de ánodo disponible y se continúan el proceso desde el cálculo de la resistencia total del conductor eléctrico, si se llega al número de ánodos límite para el módulo de cálculo empleado se finaliza el proceso recomendando la utilización de corriente impresa. Éste método de aproximación garantiza que los diseños obtenidos presentan el menor número de ánodos de un tamaño particular dentro de los especificados por el diseñador por cama anódica, a la vez que se obtiene el menor peso total de material anódico necesario para efectuar la protección catódica de la estructura si llegar a un sobredimensionamiento excesivo. 3.5. INTERFAZ USUARIA El desarrollo del software es 20 % de invención y 80 % de depuración; la depuración abarca no sólo la verificación y prueba del programa, sino también la elaboración de un software consistente, interactivo y fácil de manejar, de ahí que, el mayor porcentaje de calidad en el software lo genera la interfaz. 3.5.1. Presentación de la información La información que se presenta en la pantalla debe satisfacer las necesidades mínimas del usuario, para ello utiliza la misma simbología y convenciones constantes en todas las pantallas, contando con representaciones análogas para la ejecución de funciones, de tal manera que una acción presenta normalmente dos formas de realizarla: activando la barra de menú en la opción deseada y buscando la orden a ejecutar, o