diseño del sistema de protección catódica para el gasoducto
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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ELÉCTRICA DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA EL GASODUCTO ARECUNA-WESTLEJOS Por: Fernando José Ornés Poleo INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista Sartenejas, Junio de 2012 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ELÉCTRICA DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA EL GASODUCTO ARECUNA-WESTLEJOS Por: Fernando José Ornés Poleo Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Ángel Pérez Tutor Industrial: Ángel Quiñones INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista Sartenejas, Junio de 2012 DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA EL GASODUCTO ARECUNA-WESTLEJOS Por: Fernando José Ornés Poleo RESUMEN Con el fin de manejar un incremento en la recolección de gas, PDVSA ha determinado que es necesario ejecutar un proyecto llamado “Gasoducto para la Transmisión de Gas desde los Nuevos Centros de Compresión y Tratamiento Arecuna, Bare y Melones hasta el Gasoducto Anaco – Puerto Ordaz”. El presente trabajo, producto de la pasantía en la empresa PCI Ingenieros Consultores, tuvo como objetivo el diseño de un sistema de protección catódica por corriente impresa, responsable de aumentar la vida útil del gasoducto por 20 años. Para el logro de los objetivos planteados se establecieron los criterios de diseño a seguir en base a las normas de PDVSA, PEMEX y N.A.C.E. Este gasoducto consta de seis secciones de tubería. Para dimensionar el rectificador de cada sección, se calculó el área total de la tubería a proteger para luego hallar la corriente de protección y la caída de potencial a lo largo de la misma. Seguidamente, se calculó el número de ánodos a instalar en cada sección y los cables a utilizar para obtener el valor de la resistencia del circuito y finalmente dimensionar el rectificador. Este informe de pasantía también presenta un estudio de interferencia en tuberías por efecto de líneas de transmisión de alto voltaje. El caso estudio planteado es el de una línea de transmisión de alto voltaje de longitud infinita que cruza sobre la Sección I del gasoducto en dos puntos. Para calcular los niveles de inducción en las tuberías se realizó una aproximación de la ruta de éstas por el método de aproximación para secciones oblicuas de tubería. Luego, se utilizaron las ecuaciones de Carson-Clem para determinar la tensión inducida para las distintas secciones del modelo de tubería. Por último mediante el modelo para el cálculo de potenciales en tubería paralela a línea de transmisión, se obtuvieron las tensiones en distintos puntos de la misma. El resultado del estudio arrojo niveles de tensión inducida en la tubería tres veces mayor a los niveles permitidos por las normas N.A.C.E. Dedico este trabajo a Papá y Mamá v Agradezco a Dios, Ángel Pérez, Papá, Juan González, Ángel Quiñones, Miguel Martínez, Alejandro Guldris y a Esther Huaman. vi ÍNDICE GENERAL INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 1 CAPITULO 1 .................................................................................................................................. 7 LA EMPRESA ................................................................................................................................ 7 1.1. La empresa ........................................................................................................................... 7 1.2. Misión corporativa ............................................................................................................... 7 1.3. Visión ................................................................................................................................... 7 1.4. Unidades de negocios .......................................................................................................... 8 1.5. Filosofía de servicio ............................................................................................................. 8 1.6. Servicios ofrecidos............................................................................................................... 8 1.7. Principales clientes .............................................................................................................. 9 1.8. Estructura organizativa de la empresa ............................................................................... 10 1.9. 1.8.1. Organigrama general – Nivel corporativo ........................................................... 10 1.8.2. Organigrama de proyectos ................................................................................... 10 Estructura organizativa de la unidad de investigación....................................................... 11 CAPITULO 2 ................................................................................................................................ 12 FUNDAMENTOS DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA............................................................. 12 2.1. Aspectos generales de la corrosión .................................................................................... 12 2.2. Potencial de corrosión........................................................................................................ 12 2.3. Prevención de la corrosión por métodos electroquímicos ................................................. 14 2.4. Definición de protección catódica ..................................................................................... 14 2.5. Cómo trabaja la protección catódica .................................................................................. 14 2.6. Modelo eléctrico equivalente ............................................................................................. 16 2.7. Criterio de protección ........................................................................................................ 17 2.8. Configuraciones de ánodos ................................................................................................ 18 vii 2.9. 2.8.1. Configuración distribuida .................................................................................... 18 2.8.2. Configuración remota .......................................................................................... 19 Protección catódica galvánica ............................................................................................ 19 2.10. Protección catódica por corriente impresa ......................................................................... 20 2.11. Sobreprotección ................................................................................................................. 21 2.12. Posibilidades de diseño ...................................................................................................... 22 CAPITULO 3 ................................................................................................................................ 23 FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA .............................................................................................................. 23 3.1. Estudios preliminares......................................................................................................... 23 3.2. Criterios de protección catódica por corriente impresa ..................................................... 24 3.3. Efectos de la protección catódica ...................................................................................... 25 3.4. Materiales .......................................................................................................................... 25 3.4.1. Ánodos ................................................................................................................. 26 3.4.2. Relleno ................................................................................................................. 26 3.5. Distribución de los potenciales en el medio ...................................................................... 27 3.6. Corriente de protección ...................................................................................................... 29 3.7. Metodología propuesta para el diseño del SPC ................................................................. 30 3.8. Corriente directa máxima en cables ................................................................................... 39 CAPITULO 4 ................................................................................................................................ 42 DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA ..... 42 4.1. Ubicación geográfica ......................................................................................................... 42 4.2. condiciones ambientales .................................................................................................... 43 4.3. Criterios de Diseño ............................................................................................................ 44 4.3.1. Consideraciones del diseño del SPC ................................................................... 44 4.3.2. Información mínima necesaria para el diseño ..................................................... 44 4.3.3. Ánodos galvánicos ............................................................................................... 45 viii 4.4. 4.5. 4.3.4. Separación entre la estructura por proteger y los ánodos .................................... 45 4.3.5. Señalización del lecho de ánodos ........................................................................ 45 4.3.6. Puntos para medición de potencial ...................................................................... 46 Premisas y bases del diseño ............................................................................................... 46 4.4.1. Datos para el Diseño ............................................................................................ 46 4.4.2. Premisas del Cliente ............................................................................................ 46 4.4.3. Criterios de Diseño .............................................................................................. 47 Diseño ................................................................................................................................ 47 4.5.1. 4.5.2. 4.5.3. Tramo I Arecuna-Bare ......................................................................................... 47 4.5.1.1. Superficie total a proteger ................................................................... 48 4.5.1.2. Cálculo de la corriente total ................................................................ 49 4.5.1.3. Cálculo de potencial al final de las tuberías ........................................ 50 4.5.1.4. Selección del tipo de ánodos ............................................................... 51 4.5.1.5. Cálculo del número de ánodos ............................................................ 51 4.5.1.6. Disposición del lecho de ánodos ......................................................... 53 4.5.1.7. Cálculo de los cables eléctricos .......................................................... 53 4.5.1.8. Resistencia total del circuito ............................................................... 54 4.5.1.9. Dimensionamiento del rectificador ..................................................... 55 Tramo II Bare-Melones ....................................................................................... 56 4.5.2.1. Superficie total a proteger ................................................................... 56 4.5.2.2. Corriente total ..................................................................................... 57 4.5.2.3. Cantidad y ubicación de los puntos de inyección de corriente ........... 57 4.5.2.4. Cálculo del número de ánodos ............................................................ 58 4.5.2.5. Cálculo de los cables eléctricos .......................................................... 59 4.5.2.6. Dimensionamiento del rectificador ..................................................... 60 Tramo III. Melones - West Lejos ........................................................................ 60 4.5.3.1. Superficie total a proteger ................................................................... 61 4.5.3.2. Cálculo de la corriente Total ............................................................... 61 4.5.3.3. Cantidad y ubicación de los puntos de inyección de corriente ........... 62 4.5.3.4. Cálculo del número de ánodos ............................................................ 63 4.5.3.5. Cálculo de los cables eléctricos .......................................................... 64 4.5.3.6. Resistencia total del circuito ............................................................... 64 4.5.3.7. Dimensionamiento del rectificador ..................................................... 65 4.5.3.8. Comparación entre corriente máxima de tabla A.7 y corriente máxima calculada.............................................................................................. 65 ix CAPITULO 5 ................................................................................................................................ 67 INTERFERENCIA EN TUBERÍAS POR EFECTO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE ALTO VOLTAJE .......................................................................................................................... 67 5.1. Interferencia en tuberías por efecto de líneas de transmisión de alto voltaje .................... 67 5.2. Aproximación para secciones oblicuas de tubería ............................................................. 68 5.3. Cálculo de tensión inducida en tubería por ecuaciones de Carson-Clem .......................... 69 5.4. Modelo para el cálculo de potenciales en tubería paralela a línea de transmisión ............ 69 5.5. Metodología propuesta ...................................................................................................... 70 5.6. Caso estudio ....................................................................................................................... 71 5.7. Cálculos para la obtención de los potenciales a lo largo de la tubería .............................. 72 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................ 75 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 76 APENDICE………………………………………………………………………………………79 x ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Serie Electromotriz de los Metales ................................................................................ 13 Tabla 2.2. Potencial de Protección (V) a Diferentes pH a 25°C. [6] ............................................. 18 Tabla 2.3. Valor límite del potencial aplicado para diversos tipos de pintura. ............................. 21 Tabla 2.4. Espesores mínimos para diversos recubrimientos resistentes a un potencial de – 900mV. .......................................................................................................................................... 22 Tabla 4.1 Ubicación de los Centros CCA, CCTB, CCTM y West Lejos ...................................... 43 Tabla 4.2. Datos Meteorológicos. Área: Arecuna ......................................................................... 43 Tabla 4.3 Datos de diseño.............................................................................................................. 46 Tabla 4.4. Datos de la Tubería y Aislamiento Sección 1 y 2 ....................................................... 50 Tabla 4.5. Potencial al Final de la Tubería Sección 1 y 2 ............................................................. 51 Tabla 4.6. Características de los Ánodos ....................................................................................... 51 Tabla 4.7. Resistencias del Circuito Sección 1. ............................................................................. 55 Tabla 4.8. Resistencias del Circuito Sección 2. ............................................................................. 55 Tabla 4.9. Voltaje, Corriente y Potencia del Rectificador Sección 1 y 2 ...................................... 56 Tabla 4.10. Corriente Total Sección 3 y 4 ..................................................................................... 57 Tabla 4.11. Datos de la Tubería y Aislamiento Sección 3 y 4 ...................................................... 58 Tabla 4.12. Potencial al Final de la Tubería Sección 3 y 4 ........................................................... 58 Tabla 4.13. Resistencias del Circuito Sección 3 ............................................................................ 59 Tabla 4.14. Resistencias del Circuito Sección 4 ............................................................................ 60 Tabla 4.15. Voltaje, Corriente y Potencia del Rectificador Sección 3 y 4 .................................... 60 Tabla 4.16. Corriente Total Sección 5 y 6 ..................................................................................... 61 Tabla 4.17. Datos de la Tubería y Aislamiento Sección 5 y 6 ...................................................... 62 xi Tabla 4.18. Potencial al Final de la Tubería Sección 5 y 6 ........................................................... 62 Tabla 4.19. Resistencias del Circuito Sección 5 ............................................................................ 64 Tabla 4.20. Resistencias del Circuito Sección 6 ............................................................................ 65 Tabla 4.21. Voltaje, Corriente y Potencia del Rectificador ........................................................... 65 Tabla 4.22 Comparación de capacidad máxima de corriente entre tabla usada y valores calculados ...................................................................................................................................... 66 Tabla 5.1 Distancias obtenidas por aproximación para secciones oblicuas de tubería para el caso estudio. .................................................................................................................................. 72 Tabla 5.2. Tensión inducida por la línea de transmisión a la tubería. ........................................... 73 xii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Metodología usada para el diseño de la protección catódica por corriente impresa. ....... 4 Figura 2. Metodología usada para el estudio de interferencia en tuberías causadas por líneas de transmisión de alto voltaje .......................................................................................................... 5 Figura 1.1. Organigrama general de la empresa – Nivel corporativo............................................ 10 Figura 1.2. Organigrama de proyectos PCI ................................................................................... 10 Figura 2.1. Ilustración de técnica para medición de potenciales ................................................... 13 Figura 2.2. Circuito formado por dos metales A y B. ................................................................... 15 Figura 2.3. Circuito formado por dos metales A, B y fuente externa C. ....................................... 15 Figura 2.4. Circuito equivalente para celda de corrosión .............................................................. 16 Figura 2.5. Circuito equivalente para celda de corrosión con corriente de protección ................. 17 Figura 2.6. Sistema distribuido de ánodos. .................................................................................... 18 Figura 2.7. Distribución de corriente en sistema distribuido. ........................................................ 19 Figura 2.8. Distribución de Corriente en Configuración Remota. ................................................ 19 Figura 2.9. Posibles diseños para el SPC. ..................................................................................... 22 Figura 3.1. Diagrama de estudios preliminares para el diseño de SPC ......................................... 23 Figura 3.2. Relleno alrededor del ánodo........................................................................................ 27 Figura 3.3. Distribución de los Potenciales en el Medio ............................................................... 27 Figura 3.4. Potencial en la Tubería a una Distancia x del Punto de Inyección ............................. 29 Figura 3.5. Esquema de diseño del SPC ........................................................................................ 31 Figura 3.6. Metodología usada para el diseño de la protección catódica por corriente impresa ... 31 Figura 3.7. Sección de Cilindro ..................................................................................................... 32 Figura 3.8. Circuito térmico .......................................................................................................... 39 Figura 3.9. Esquema de cálculo de la corriente máxima del conductor ........................................ 41 Figura 4.1. Ubicación Geográfica ................................................................................................. 42 xiii Figura 4.2. Tramo I Arecuna-Bare. ............................................................................................... 48 Figura 4.3. Tramo II Bare-Melones .............................................................................................. 56 Figura 4.4. Tramo III Melones-Westlejos ..................................................................................... 60 Figura 5.1 Interferencia en Tuberías por Efecto de Líneas de Transmisión.................................. 67 Figura 5.2. Ejemplo de Aproximación para Secciones Oblicuas de Tubería ................................ 68 Figura 5.3. Modelo para el Cálculo de Potenciales en Tubería Paralela a Línea de Transmisión. .................................................................................................................................. 69 Figura 5.4. Caso planteado cruce de línea con tubería .................................................................. 71 Figura 5.5. Geometría de Estructura Planteada 345KV ................................................................ 72 Figura 5.6. Aproximación de secciones oblicuas de tubería para el caso estudio ......................... 73 Figura 5.7. Potenciales a lo largo de la tubería .............................................................................. 74 xiv LISTA DE SÍMBOLOS Símbolos en castellano %Ar Porcentaje de área revestida A Constante condición inicial de la tubería Ad Distancia promedio entre dos puntos de tubería B Constante condición final de la tubería Ct Capacidad de drenaje anódico Cu Cobre Cu/CuSO4 Electrodo de cobre/Sulfato de cobre D Diámetro del gasoducto (m) Da Diámetro del ánodo (m) Dl Diámetro del lecho (m) Dm Distancia entre conductores e Eficiencia del ánodo E Tensión Inducida por la línea de transmisión a la tubería Ea Fuerza electromotriz del ánodo Ec Fuerza electromotriz del cátodo Ep Fuerza electromotriz del electrodo auxiliar Fs Factor de seguridad Fst Factor de seguridad por temperatura Fu Factor de utilización Gs Conductividad del revestimiento por unidad de longitud h Profundidad del lecho (m) I Corriente xv Ia Corriente máxima del ánodo Ipd Corriente de protección en el área desnuda Ipr Corriente de protección en el área revestida It Corriente total de protección J Densidad de corriente máxima recomendada Jp Densidad estimada de corriente del área desnuda Jr Densidad estimada de corriente del área revestida L Longitud del gasoducto (m) L1 Longitud de la sección 1 del gasoducto (m) L2 Longitud de la sección 2 del gasoducto (m) La Longitud del ánodo (m) Lcaneg Longitud del cable negativo desde el rectificador hasta la caja de negativos. (m) Lcapos Longitud del cable alimentador positivo desde el rectificador hasta la caja de positivos (m). Lccpos Longitud del cable positivo desde la caja de positivos hasta cada una de los ánodos. (m) LDS Longitud de la sección LL Longitud del lecho (m) nc Número de ánodos estimados por consumo de material Nccpos Número de cables positivos, desde la caja de distribución de positivos hasta el lecho de ánodos. ni Numero de ánodos estimados por densidad de corriente Pc Peso total del ánodo (Kg) Pr Peso total de material anódico requerido (Kg) Ra Resistencia del ánodo xvi Rc Resistencia del cátodo Rcables Resistencia total de los cables (Ω) Rcaneg Resistencia del cable alimentador negativo por unidad de longitud (Ω/m). Rcapos Resistencia del cable alimentador positivo (Ω/m). Rccpos Resistencia del cable positivo para conectar cada ánodo (Ω/m). Rcircuito Resistencia total del circuito (Ω) Restructura Resistencia de la estructura (Ω) Rlechohorizontal Resistencia del lecho de ánodos (Ω) Rp Resistencia del electrodo auxiliar Rs Resistencia eléctrica por unidad de longitud r1,2 Factor de reflexión al principio y al final del tramo ru Resistividad del recubrimiento S Superficie total del gasoducto (m2) S1 Superficie de la sección 1 del tramo (m2) S2 Superficie de la sección 2 del tramo (m2) Sa Superficie total del ánodo (m2) Sl Espaciamiento entre ánodos (m) U Potencial en la tubería a la distancia x Vi Potencial en el punto de inyección Vu Vida útil esperada (#años) Vx Potencial a una distancia x al punto de inyección X Distancia Zn/Cu Latón Z Impedancia característica de la tubería Zm Impedancia mutua xvii Símbolos griegos α Coeficiente de atenuación Δx Distancia entre línea de transmisión y tubería ρl Resistividad del lecho (Ω.m) γ Coeficiente de transferencia ω Frecuencia xviii LISTA DE ABREVIATURAS NACE National Association of Corrosion Engineers, en español: Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión CCA Centros de compresión Arecuna CCTB Centro de compresión y tratamiento Bare CCTM Centro de compresión y tratamiento Melones IPC Ingeniería, procura y construcción (Proyectos) LDS Longitud de sección de tubería MMPCSD Millones de pies cúbicos estándar por día PDO Portafolio de oportunidades de PDVSA PDVSA Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima SPC Sistema de protección catódica xix 1 INTRODUCCIÓN La corrosión es un fenómeno espontáneo que se presenta prácticamente en casi todos los materiales procesados por el hombre. Este proceso deteriora la integridad física de los objetos provocando interrupciones en actividades fabriles, pérdida de productos, contaminación ambiental, reducción en la eficiencia de los procesos, mantenimientos y diseños costosos. Por ello anualmente se invierten miles de millones de dólares para evitar sus efectos. Según la organización NACE (Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión), se estima que los gastos atribuidos a los daños por corrosión representan más del 3% del producto interno bruto de los países; solamente hablando del acero, de cada diez toneladas fabricadas por año se pierden dos y media por corrosión. Por esta razón, cada día se desarrollan nuevos recubrimientos, se mejoran los diseños de las estructuras, se crean nuevos materiales, se sintetizan mejores inhibidores, se optimizan los sistemas de supervisión. Todo esto para disminuir la corrosión. De acuerdo con el Portafolio de Oportunidades de PDVSA (PDO) para los años 2005-2024, el gas disponible en las estaciones Arecuna, Bare y Melones, se incrementará en forma importante para el mercado interno, debido al desarrollo de dos proyectos: “Recolección de Gas de Baja Presión en los Campos Arecuna y Bare” y “Recolección de Gas de Baja Presión en el Campo Melones”, ambos incluyen la recolección, compresión, tratamiento y transferencia del gas desde las estaciones de producción, hasta la conexión con el gasoducto principal a ser ejecutado en el proyecto “Gasoducto para la Transmisión de Gas desde los Nuevos Centros de Compresión y Tratamiento Arecuna, Bare y Melones hasta el Gasoducto Anaco – Puerto Ordaz”, de PDVSA San Tomé, Edo. Anzoátegui. PDVSA ha estimado que para manejar este incremento en la recolección de gas, es necesario la creación de un nuevo Gasoducto que permita el manejo y transporte de 349 Millones de Pies Cúbicos Estandard por día (MMPCSD) de gas para el año 2022, conjuntamente con el ruteo y dimensionamiento de líneas para la transmisión de gas desde los nuevos Centros de Compresión y Tratamiento Arecuna, Bare y Melones, hasta el Gasoducto Anaco - Puerto Ordaz. En un esfuerzo por minimizar el impacto negativo de la corrosión, las tuberías del gasoducto deberán incluir un sistema de protección catódica. 2 Objetivo general El Objetivo de esta pasantía es el desarrollo del diseño de un sistema de protección catódica (SPC) por corriente impresa para el gasoducto desde los centros de compresión y tratamiento Arecuna, Bare y Melones hasta el Gasoducto Anaco. Objetivos Específicos 1. Revisar la bibliografía sobre los Sistemas de Protección Catódica 2. Diseñar un sistema de protección catódica por corriente impresa, basado en las características del terreno, ambiente, tubería y revestimiento del mismo. 3. Estudiar el fenómeno de interferencia por efecto de las líneas de transmisión en la tubería y sus efectos en la protección. 4. Brindar suficiente corriente a la estructura para que este protegida. 5. Dimensionar un sistema de ánodos de sacrificio que cumpla con el tiempo de vida estipulado. 6. Realizar un diseño al cual se le pueda variar al rectificador, la corriente inyectada posteriormente. 7. Proveer facilidades adecuadas de supervisión para permitir la determinación del comportamiento del sistema. 8. Crear diseño orientado hacia la facilidad de mantenimiento, y accesibilidad de los equipos. Metodología En el Capítulo II, se desarrollan los conceptos de corrosión para entender como es afectada la tubería y el principio de la protección. El Capítulo III consiste en la descripción de los distintos tipos de Protección Catódica, para entender y elegir el mejor sistema según sea el caso. 3 En el Capítulo IV se desarrollan los fundamentos para el diseño de la Protección Catódica por Corriente Impresa, materiales, requerimientos, efectos producidos, comportamiento y se propone una metodología para el diseño. El Capitulo V consiste en el desarrollo de la ingeniería del proyecto desde el diseño hasta las especificaciones de instalación. Por último, el Capítulo VI explica los efectos de las líneas de transmisión sobre las tuberías, así como modelos y métodos para cuantificar los efectos. También se propone una metodología para el cálculo y se muestran los resultados obtenidos. Todo proyecto de diseño de tuberías y en el caso específico para el manejo de gas, donde existen largos recorridos a campo traviesa y a su vez enterradas, requiere de un diseño e implementación de un sistema de protección catódica, que garantice la vida útil de la tubería y a la vez minimizar los costos de mantenimiento. En ese sentido al inicio del proyecto, se cuenta con toda una base de información previa como es la ubicación geográfica, las condiciones ambientales de la zona, bases y criterio de diseño normalmente suministrada por el cliente. Adicionalmente a esta información previa, se inicia los estudios preliminares de campo normalmente contratados a empresas especializadas para contar con los datos básicos de diseño como son: Estudios de suelo, donde se incluye los valores de resistividad, PH, bacterias y otros datos bases para el inicio del Sistema de Protección Catódica por Corriente Impresa. Obtenida la longitud de la tubería a proteger se debe verificar que el voltaje al final de la tubería sea menor o igual al voltaje de protección (3), En el caso de que el voltaje sea mayor al final de la tubería es necesario disminuir la longitud de la sección estudiada y evaluar nuevamente si cumple con el voltaje máximo de protección. Este corriente de protección es aquella que va a proteger la estructura, y depende fundamentalmente de la superficie total a proteger, de las características del suelo y de la eficiencia del recubrimiento. Para hallar dicha corriente es necesario calcular la superficie total a proteger (4), que no es más que calcular la superficie de la sección de tubería utilizando la ecuación del cilindro, que se indica en el capítulo 4. Un aspecto fundamental del diseño, es la determinación del número de ánodos a instalar. Para ello se considera dos criterios: 4 a.- Número total de ánodos estimados en función de la densidad máxima de corriente b.- Número total de ánodos estimados en función del consumo del material anódico. A efecto de diseño, se escoge el valor mayor (6). Por último, para dimensionar el rectificador (8) es necesario obtener la resistencia del circuito que es el resultado de la suma de la resistencia de los cables, tubería y lecho de ánodos. Los cables se seleccionan tomando en cuenta la corriente de protección. No Sí Figura 1. Metodología usada para el diseño de la protección catódica por corriente impresa. 5 Interferencia en tubería por efecto de líneas de transmisión Otro aspecto a considerar en el estudio del SPC, son las interferencias en tuberías causadas por líneas de transmisión de alto voltaje. En la figura 2. se muestra un esquema que representa la metodología usada en este trabajo para el estudio de estas interferencias en tuberías por líneas de transmisión de alto voltaje. Para el desarrollo del estudio en cuestión, se utilizó primeramente la aproximación de secciones oblicuas. Este procedimiento consiste en transformar una tubería que no sea paralela a la línea de transmisión en una sumatoria de secciones paralelas a la mencionada línea. Posteriormente se realizaron los cálculos de las tensiones inducidas en la tubería mediante la ecuación de Carson-Clem, tal como se indica en el capítulo 6. Con esto se obtienen los distintos valores de tensión que produce la línea de transmisión sobre las distintas secciones de tubería. Por último se utilizó el modelo para el cálculo de potenciales en tubería paralela a la línea de transmisión para hallar el voltaje a lo largo de la tubería Figura 2. Metodología usada para el estudio de interferencia en tuberías causadas por líneas de transmisión de alto voltaje CAPITULO 1 LA EMPRESA 1.1. La empresa PCI Ingenieros Consultores, S.A., se constituye el 23 de Noviembre de 1.990 en la ciudad de Maracaibo, Estado Zulia. Durante su trayectoria empresarial ha prestado servicios a una amplia gama de clientes del Sector Petrolero, Petroquímico, Eléctrico, así como a Instituciones Públicas y Privadas en el ámbito Nacional e Internacional. Hoy día es considerada una de las empresas con excelentes capacidades para el Desarrollo y Ejecución de Proyectos de Ingeniería y Servicios Profesionales de Asistencia Técnica Integral en todas las áreas del conocimiento, por su experiencia acumulada en el sector empresarial, que se ha potenciado con la consolidación de nuestro Sistema de Gestión de la Calidad, esto ha permitido afrontar con éxito los más exigentes retos. 1.2. Misión corporativa Ser una empresa de Ingeniería orientada hacia el desarrollo y ejecución de proyectos, estudios, asesoría y prestación de servicios profesionales a organizaciones públicas y privadas, utilizando métodos innovadores con los más altos estándares de calidad, dentro de un ambiente de sinergia, responsabilidad y profesionalismo, en búsqueda del reconocimiento de sus clientes, con el fin de maximizar el beneficio sobre la inversión de sus accionistas, el bienestar de su personal y contribuir con el desarrollo del país. 1.3. Visión Ser una empresa reconocida a nivel regional, nacional e internacional por la excelente calidad técnica de los trabajos de ingeniería que ejecuta y los servicios profesionales que 8 ofrece, por el valor agregado que le proporciona a sus clientes, así como por el manejo de costos competitivos, estándares de tiempo y seguridad en los proyectos que ejecuta. 1.4. Unidades de negocios Las Unidades de Negocios de PCI Ingenieros Consultores, S.A., forman parte de una estructura divisional geográfica por servicios, que constituyen los procesos medulares de la empresa, los cuales están soportados por las Organizaciones de Apoyo de nuestra estructura operativa. La Unidad de Negocio de Ingeniería desarrolla Proyectos de Ingeniería en todas sus fases. La Unidad de Negocios de Servicios Profesionales presta Asistencia Técnica Integral a través del suministro de personal en todas las áreas del conocimiento empresarial, industrial e institucional, formando un engranaje enfocado a superar continuamente las expectativas de los clientes mediante la agregación de valor a través de los servicios. 1.5. Filosofía de servicio Con la finalidad de garantizar el suministro de los servicios de acuerdo a lo establecido en el Sistema de Gestión de la Calidad y en los Contratos de Servicios suscritos con los clientes, PCI Ingenieros Consultores, S.A., cuenta con una filosofía de servicio que integra de manera armónica la Cadena de Valor del Servicio con las necesidades de los clientes, donde se considera la planificación y la visión compartida como factor clave de éxito y la integración de equipos de alto desempeño, haciendo énfasis en una comunicación efectiva, en el seguimiento continuo y proactivo del desarrollo del servicio y en la búsqueda permanente de mejores prácticas que incrementen el valor agregado, logrando superar las expectativas del cliente. 1.6. Servicios ofrecidos - Estudios de factibilidad - Ingeniería conceptual y básica - Ingeniería de detalle - Planificación y control 9 - Estimados y control de costos - Manuales de operación y mantenimiento - Gerencia integral de proyectos - Gerencia de procura - Asistencia técnica para la supervisión e inspección de obras - Proyectos IPC - Asistencia técnica para arranque y puesta en marcha de instalaciones - Asistencia técnica para valoración de bienes inmuebles - Asistencia técnica para catastro e información espacial - Asistencia técnica para la supervisión y construcción de Seguridad, higiene y ambiente 1.7. Principales clientes - PDVSA - PETRORITUPANO - PETROWAYU - PETROBRAS - SINCOR - PETROCEDEÑO - REPSOL YPF PETROQUIRIQUIRE - PEQUIVEN - EDELCA - VENALUM - CORPOELEC - CADAFE - BP VENEZUELA HOLDING LTD - HARVEST VINCLER - PETRODELTA 10 1.8. Estructura organizativa de la empresa 1.8.1. Organigrama general – Nivel corporativo Figura 1.1. Organigrama general de la empresa – Nivel corporativo 1.8.2. Organigrama de proyectos Figura 1.2. Organigrama de proyectos PCI 11 1.9. Estructura organizativa de la unidad de investigación El líder de la disciplina electricidad depende directamente de la Gerencia de Ingeniería de PCI Ingenieros Consultores, no existen sub-divisiones en esta área. La pasantía realizada fue directamente supervisada por el líder de la disciplina electricidad CAPITULO 2 FUNDAMENTOS DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA 2.1. Aspectos generales de la corrosión Si bien existen varias definiciones, es común describir la corrosión [1], como una oxidación acelerada y continua que desgasta, deteriora y que incluso afecta la integridad física de los objetos o estructuras. La corrosión es la mayor calamidad económica que conoce la humanidad; mayor que el coste conjunto de inundaciones, huracanes, tornados, incendios y terremotos, [2]. La vida útil del equipo en la industria se acorta como resultado de la corrosión. Los paros de las plantas pueden ocurrir y ocurren como un resultado de la corrosión, provocando gastos directos e indirectos de aspecto económico y humano. Para efectos prácticos, es casi imposible eliminar la corrosión. El secreto efectivo de la ingeniería en este campo radica en su control más que en su eliminación, siendo necesario tomar en cuenta el fenómeno corrosivo desde el diseño de las instalaciones y no después de ponerlas en operación. En los últimos años se han conseguido adelantos significativos en su detección y control. 2.2. Potencial de corrosión El potencial de un metal que se corroe es muy útil en los estudios de corrosión y se puede obtener fácilmente en el laboratorio y en condiciones de campo [5]. Éste se determina midiendo la diferencia de potencial existente entre el metal sumergido en un medio corrosivo y un electrodo de referencia apropiado. Los electrodos de referencia más utilizados: Electrodo saturado de calomel Electrodo normal de hidrógeno 13 Electrodo de cobre/sulfato de cobre Electrodo de plata/cloruro de plata Figura 2.1. Ilustración de técnica para medición de potenciales La medición de la diferencia de potencial entre el metal que se corroe y el electrodo de referencia se lleva a cabo con la ayuda de un voltímetro. Al medir y reportar los potenciales de corrosión es necesario indicar la magnitud y el signo de voltaje obtenido. La magnitud y el signo del potencial de corrosión son función del metal, composición del electrolito y temperatura y agitación del mismo. Realizando una serie de mediciones en metales en las mismas condiciones se obtiene la Serie Electromotriz de los Metales o también conocida como la Tabla de Potenciales Óxido Reducción. Tabla 2.1 Serie Electromotriz de los Metales [5] METAL LITIO POTASIO SODIO MAGNESIO ALUMINIO ZINC CROMO HIERRO NIQUEL ESTAÑO PLOMO HIDRÓGENO COBRE MERCURIO PLATA PLATINO ORO POTENCIAL (V) -3,040 -2,924 -2,714 -2,356 -1,676 -0,762 -0,740 -0,440 -0,236 -0,130 -0,126 0 +0,345 +0,799 +0,799 +0,121 +1,420 14 Los metales que se desplazan hacia la parte superior de la tabla son aquellos que electroquímicamente tienen mayor tendencia a la oxidación. Al conocer estas características electroquímicas se puede predecir el comportamiento de un metal al combinarlo con otro. Es decir que al unir dos metales mediante un medio electrolítico puede predecirse cual va actuar como cátodo y cual como ánodo. 2.3. Prevención de la corrosión por métodos electroquímicos La Protección Catódica se utiliza cuando un metal se hace más catódico o negativo, imprimiéndose una corriente eléctrica, conectándolo con otro metal más activo que el metal del equipo que se desea proteger. Por ejemplo, cuando un equipo de acero se conecta a una pieza de zinc, éste se corroe dando protección al hierro. En este caso el zinc es el metal anódico y recibe el nombre de Ánodo de Sacrificio, mientras que el acero funciona como cátodo recibiendo protección. 2.4. Definición de protección catódica La protección catódica es el método más efectivo para reducir la corrosión de un metal. Esto se logra haciendo que el metal que se desea proteger funcione como cátodo cuando se encuentra en un medio electrolítico [3]. Esto se logra haciendo que el potencial eléctrico del metal a proteger se vuelva más negativo ya sea inyectando una corriente dc o mediante la unión de un material de sacrificio (ánodo de sacrificio). Cuando el metal funciona como cátodo en él se desarrolla la reacción de reducción y prácticamente no ocurre corrosión. Antes de aplicar la protección catódica, las estructuras corroíbles presentan áreas catódicas y anódicas (donde la estructura se corroe). El fin de la protección catódica es hacer que todas las áreas anódicas se conviertan en catódicas, y así la estructura completa funcionaría como un cátodo y la corrosión sería eliminada. 2.5. Cómo trabaja la protección catódica Cuando dos metales diferentes A y B se conectan y sumergen en un medio electrolítico, se desarrolla un flujo de corriente a través del electrolito y ambos metales. [3] 15 Figura 2.2. Circuito formado por dos metales A y B. [3] Si se crea un nuevo circuito añadiendo una fuente externa de fuerza electromotriz con polo positivo conectado al metal C y el polo negativo conectado a A y B hará que A y B sean más negativos debido a los electrones que fluyen hacia los mismos y el flujo de corriente de C a B, a través del electrolito reduce el flujo neto de corriente que sale de B y por lo tanto, se retarda la velocidad de corrosión. Figura 2.3. Circuito formado por dos metales A, B y fuente externa C. [3] La fuerza electromotriz puede ser suministrada por un metal más electronegativo que el metal a proteger, o bien, mediante una fuente externa (rectificador) y un electrodo auxiliar. 16 2.6. Modelo eléctrico equivalente Los principios de la protección catódica [3] pueden ser representados eléctricamente por un circuito equivalente. En la figura 2.4. ambos circuitos representan una celda de corrosión, en donde Ec y Rc son el voltaje y la resistencia en el cátodo respectivamente, Ea y Ra son la FEM y la resistencia en el ánodo, e I es el flujo de corriente que pasa por el circuito. Figura 2.4. Circuito equivalente para celda de corrosión Si se introduce al sistema un electrodo auxiliar que genere corriente similar a la de corrosión, el circuito se puede representar como se muestra en la Figura 2.5, en la que Ep y Rp son el voltaje y la resistencia del electrodo auxiliar. Con el arreglo anterior, se puede ver que el flujo de corriente proveniente del ánodo, se disminuye (I–I’), mientras que en el cátodo se incrementa. La corrosión cesará cuando no salga corriente alguna del ánodo (I – I’ = 0), y cuando esto ocurre, el potencial a través de Ra es cero. Dado que el potencial entre X y Y debe ser igual, se tiene: 17 Figura 2.5. Circuito equivalente para celda de corrosión con corriente de protección Esto quiere decir, que la condición para que exista protección es que debe fluir suficiente corriente al sistema o estructura hasta llegar al potencial de polarización del circuito abierto del ánodo (cero corriente). 2.7. Criterio de protección La pérdida de iones en un ánodo cesa cuando el sistema es polarizado al potencial de circuito abierto del ánodo. Se ha demostrado que el potencial de circuito abierto para el acero es de –0,85 V (referido al electrodo de Cu/CuSO4) y consecuentemente, el criterio común de protección es que el potencial de la estructura con respecto al terreno no sea menos negativo que este valor. Sin embargo, en trabajos experimentales se ha demostrado que los potenciales de protección varían con la temperatura, pH y si existe la presencia de bacterias sulfato reductoras. En la Tabla 2.2 se puede observar cómo los potenciales de protección varían con diferentes valores de pH. Por ejemplo, en el caso del acero sumergido en soluciones que contienen bacterias sulfato reductoras, el potencial de protección será de –0,97 V en lugar de –0,85 V. 18 Tabla 2.2. Potencial de Protección (V) a Diferentes pH a 25°C. [6] 2.8. Configuraciones de ánodos El objetivo de la protección catódica es suministrarle a la estructura suficiente corriente para que esta este protegida gracias a la polarización catódica. Esto quiere decir que los ánodos deben ser colocados para distribuir la corriente lo más uniformemente posible a la estructura. Las configuraciones de ánodos pueden ser descritas como distribuidas o remotas. 2.8.1. Configuración distribuida Una configuración distribuida usa ánodos espaciados a lo largo de la estructura y a una distancia cercana a la misma [7], como se observa en la Figura 2.6. Figura 2.6. Sistema distribuido de ánodos. [7] 19 Figura 2.7. Distribución de corriente en sistema distribuido. [7] 2.8.2. Configuración remota Una configuración remota usa ánodos ubicados en un lugar considerado eléctricamente alejado de la estructura [7]. Los ánodos pueden ser instalados horizontal o verticalmente esto dependerá del lugar de instalación. La disposición vertical es más fácil de instalar, generalmente necesita menos movimiento de tierra y ofrece menos resistencia que los ánodos dispuestos horizontalmente. Figura 2.8. Distribución de Corriente en Configuración Remota. [7] 2.9. Protección catódica galvánica Se atribuye al inglés Sir Humphrey Davy el descubrimiento de la protección catódica, ya que en 1824, para proteger la envoltura de cobre de los buques de guerra británicos utilizó, por vez primera, bloques de zinc, con lo que se inició lo que se conoce en la actualidad como protección catódica. 20 En este método se conecta el metal que se trata de proteger a otro menos noble que él, es decir, más negativo en la serie electroquímica. Este sistema se conoce como protección catódica con ánodos galvánicos o de sacrificio [8] y consiste realmente en la creación de una pila galvánica en que el metal a proteger actúe forzosamente de cátodo (polo positivo de la pila), mientras que el metal anódico se sacrifica o sea que se disuelve (polo negativo). Como el metal más comúnmente utilizado en la práctica por su bajo precio y alta resistencia mecánica es el acero, los metales que se puedan conectar a él y que tienen un potencial más negativo quedan reducidos en la práctica al zinc (Zn), al aluminio (Al) y al magnesio (Mg) y sus aleaciones. 2.10. Protección catódica por corriente impresa El sistema de protección catódica (SPC) con corriente impresa se llevó a cabo aproximadamente cien años después que el de ánodos galvánicos. En este sistema de protección catódica se utiliza la corriente suministrada por una fuente continua para imprimir la corriente necesaria para la protección de una estructura. Este procedimiento consiste en unir eléctricamente la estructura que se trata de proteger con el polo negativo de una fuente de alimentación de corriente continua (pura o rectificada) y el positivo con un electrodo auxiliar que cierra el circuito. Los electrodos auxiliares se hacen de chatarra de hierro, aleación de hierro/silicio, grafito, titanio platinado, etc. Es completamente indispensable la existencia del electrolito (medio agresivo) que completa el conjunto para que se realice el proceso electrolítico. Este sistema de protección catódica tiene la característica de que utiliza como ánodo dispersor de la corriente (electrodo auxiliar) materiales metálicos que en mayor o menor grado se consumen con el paso de la corriente. Sin embargo, el intercambio necesario de corriente con el electrolito tiene lugar a través de reacciones electroquímicas, las cuales dependen tanto del material anódico, como del ambiente que rodea al mismo e incluso de la densidad de corriente que éste suministra. 21 2.11. Sobreprotección Se dice que una estructura está sobreprotegida cuando la densidad de corriente intercambiada en su superficie es mayor que la necesaria para una protección completa [8]. En general, esta condición sucede cuando la protección catódica se efectúa mediante el sistema de corriente impresa. Evidentemente la sobreprotección debe evitarse, tanto porque implica un consumo inútil de electricidad, un mayor consumo del ánodo, etc., como, y especialmente, por el daño indirecto que puede provocar: Ampollamiento del recubrimiento, degradación del mismo, desprendimiento de hidrógeno con posibilidad de fragilización del acero, etc. La formación de ampollas en el recubrimiento se produce en especial cuando, aunque sea localmente, tiene lugar el desprendimiento de hidrógeno. De hecho, si este gas se forma en algún defecto del recubrimiento de la superficie metálica, puede llegar a ejercer una presión elevada y provocar el desprendimiento del recubrimiento y la base metálica quedar desprotegida. En cualquier caso, el ampollamiento del recubrimiento debe ser evitado, para lo cual se da normalmente un límite inferior al potencial al cual debe llevarse la estructura. En la Tabla 2.3. se presentan los valores límites del potencial para diversos tipos de recubrimientos o pinturas. Tabla 2.3. Valor límite del potencial aplicado para diversos tipos de pintura [6]. En general, las pinturas pueden aplicarse con éxito aun en condiciones de sobreprotección cuando son muy adherentes y muy resistentes químicamente, además de que deben poseer un espesor suficiente para aumentar la impermeabilidad, en Tabla 3.4 se indican los espesores mínimos de varios tipos de pinturas que resisten a un potencial de 900 mV. 22 Tabla 2.4. Espesores mínimos para diversos recubrimientos resistentes a un potencial de – 900mV. [6] 2.12. Posibilidades de diseño La Figura 2.9. brinda una visión general sobre los posibles diseños que pueden escogerse para diseñar la protección catódica. Figura 2.9. Posibles diseños para el SPC. [7] Los métodos para diseñar un SPC distribuida o remota son muy diferentes entre si. La elección de uno u otro depende de la información del ambiente, criterios de diseños y el estimado de corriente requerida para determinar el diseño más favorable. Por lo tanto es sumamente importante para el diseño haber obtenido los datos correctos del campo. CAPITULO 3 FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA 3.1. Estudios preliminares Antes de diseñar un sistema de protección catódica, es necesario realizar estudios preliminares que son básicamente un análisis de la información existente acerca del lugar donde se encuentra o se quiere construir la tubería, con el fin de saber la factibilidad de ejecución y/o dimensionar correctamente el sistema protección. Algunos de estos estudios preliminares son: la resistividad del suelo, el estudio bacteriológico y la acidez del ambiente. Ver Figura 3.1. Resistividad Eléctrica del suelo Estudio de bacterias anaeróbicas Estudios preliminares para el diseño de un SPC Corrientes necesarias para la protección catódica Acidez o alcalinidad del ambiente Figura 3.1. Diagrama de estudios preliminares para el diseño de SPC 24 Resistividad eléctrica del suelo: es muy importante para la selección del lugar de instalación de la protección catódica. Acidez o alcalinidad del ambiente: Los ambientes pueden ser ácidos o alcalinos, de esto va a depender el lugar donde se colocarán los rectificadores o los ánodos galvánicos. Particularmente con la condición acida se necesita una densidad de corriente mayor para mantener la protección catódica. Esto hace que sea deseable colocar las protecciones cerca de donde se necesiten los mayores requerimientos de corriente. Determinación de las condiciones deseables para la corrosión por bacterias anaeróbicas: Ciertas bacterias que viven en ausencia de oxigeno, reducen sulfato y consumen hidrógeno en el proceso. El consumo de este hidrogeno en la superficie de la estructura, despolariza el metal y permite que el metal sufra corrosión galvánica rápidamente. Para el efecto de la protección catódica, la actividad de bacterias anaeróbicas se traduce en un mayor flujo de corriente para conservar la protección Evaluación de las corrientes necesarias para la protección catódica: Consiste en hacer que una corriente directa fluya a través de un ánodo temporal hasta la estructura en estudio (si la hay) para determinar cuánto flujo de corriente es necesario para obtener el nivel de polarización. 3.2. Criterios de protección catódica por corriente impresa La Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión (Estados Unidos) [9] señala que una estructura se encuentra protegida catódicamente en los siguientes casos. Al obtenerse un voltaje negativo de al menos 850mV medidos entre la superficie de la estructura y el electrodo de referencia de Cobre/Sulfato de Cobre que estará en contacto con el medio electrolítico. Al obtenerse una elevación negativa mínima del potencial natural de la estructura de 300mV, producida por la aplicación de la corriente de protección. Este valor se obtiene de la diferencia entre la medición del potencial de la estructura antes y después del arranque del SPC. Al obtenerse una caída voltaje negativo de polarización de 100mV medido entre la superficie y el electrodo de referencia. Esta caída del voltaje es determinada al 25 interrumpir la aplicación del SPC y medir inmediatamente el decaimiento del voltaje que ocurre. Cualquiera de estos criterios puede ser utilizado para la verificación de la efectividad del SPC. Sin embargo, el más comúnmente usado es el primero debido a lo cómodo de la medición en la cual no hay que interrumpir el suministro de la corriente de protección. 3.3. Efectos de la protección catódica Pasado cierto tiempo después de energizar el SPC (1 a 3 días), las estructuras conectadas muestran el efecto de la polarización. La polarización se observa como la creación de una película de hidrógeno sobre la superficie de la estructura. Esto constituye un factor importante en el control del flujo de corriente. Significa que la capa de polarización puede verse como una película aislante la cual introduce una resistencia óhmica dentro del circuito y reduce el flujo de corriente de corrosión [5]. El requerimiento de corriente para protección se reduce una vez que se ha polarizado la estructura y puede darse el caso de que al desconectar el sistema, este se encuentre polarizado en un potencial cercano al de protección. No obstante, el problema es la existencia de efectos despolarizantes que tienden a remover la película de hidrogeno. Esto puede ser causado por rasguños en la superficie del metal, o una fuente de oxígeno en el electrolito el cual se combina con el hidrógeno y lo remueve. También existen bacterias sulfato reductoras, las cuales su efecto neto es la remoción de la capa de polarización. 3.4. Materiales Los materiales a utilizar para el diseño de la protección catódica dependerán básicamente del medio donde se instalan y el tipo de protección a utilizar. Una vez que se han determinado los requerimientos de corriente y el tipo de sistema a instalar, la selección de materiales debe ser considerada. 26 3.4.1. Ánodos Aunque teóricamente cualquier material conductor puede ser utilizado como ánodo para sistemas de corriente impresa, los materiales utilizados son los llamados metales inertes, pues poseen una velocidad de corrosión muy baja y una alta capacidad de drenaje de corriente. Esto prolonga la vida útil del sistema con menor cantidad de material. Grafito: este material ha sido utilizado como ánodo para SPC durante muchos años pero posee limitaciones para su uso debido a su fragilidad. Es necesario el uso de rellenos alrededor del ánodo que disminuyan la resistividad del medio y uniformicen la superficie de drenaje de corriente. Hierro-Silicio-Cromo: la ventaja principal de este material es la capacidad que posee para trabajar con densidades de corrientes más altas que el carbón, además de ofrecer un tiempo de vida mucho más alto. También puede ser utilizado en suelos de baja resistividad. En el pasado ha sido altamente usado hasta el punto de ser uno de los principales ánodos recomendados en las normas de la industria petrolera. El uso de relleno de coque es requerido para estos ánodos. Titanio-Platinizado y Tantalio: el éxito de estos ánodos se debe a su capacidad de drenaje de corriente, fortaleza mecánica y poco peso. Mezcla de Óxidos: Son diseños en los que se ha mejorado las aleaciones del titanio con otros óxidos. Poseen gran capacidad de drenaje de corriente y son livianos. La eficiencia ha mejorado con respecto a los de Hierro-SilicioCromo. 3.4.2. Relleno Está compuesto de tres materiales que lo describen [5] Carbón de coque airado Petróleo Calcinado de coque airado Partículas de grafito 27 El relleno o Backfill, ver Figura 3.2., se aplica alrededor de los ánodos y tiene dos propósitos fundamentales: Incrementar el tamaño efectivo del ánodo para obtener menor resistencia a tierra. Soportar la desintegración del ánodo producto de la descarga de corriente Figura 3.2. Relleno alrededor del ánodo 3.5. Distribución de los potenciales en el medio La trayectoria de un elemento de corriente va desde la superficie del ánodo a la superficie de la estructura protegida. [5] El tipo de gradiente potencial es mostrado en la Figura 3.3. Figura 3.3. Distribución de los Potenciales en el Medio. 28 El lecho de ánodos se hace positivo y la estructura negativa con respecto al medio. La misma corriente que fluye desde el ánodo llega al cátodo, y como el cátodo normalmente posee un área mucho más grande que el ánodo, el gradiente de potencial es más pronunciado alrededor del ánodo. El camino total del flujo de corriente puede ser dividido en tres secciones: AB, la cual incluye un gran cambio de potencial alrededor de la cama de ánodos. BC, donde la corriente fluye a través de una sección larga de suelo en donde el cambio de potencial es casi nulo. CD, define la región en donde la estructura experimenta una caída potencial. El potencial entre A y B está normalmente en un rango de 10-50V, dependiendo del tamaño del lecho de ánodos y la resistividad del lecho. El potencial CD está entre los 1-2V. La distribución de potencial depende de: Geometría general de la superficie protegida, medio electrolítico y los ánodos. Resistividad del electrolito. Conductividad del recubrimiento aislante sobre la estructura. Resistencia de la estructura a través del camino metálico. Tuberías: Asumiendo constantes todas las variables definidas anteriormente, puede demostrarse que si una corriente es inyectada a lo largo de una tubería desde una cama de ánodos remota, el modulo del cambio de potencial de la tubería seguirá una curva hiperbólica que puede ser aproximada a una exponencial solo cuando se cumplen las siguientes condiciones [5]: La resistencia del aislamiento es alta, uniforme y óhmica. La cama de ánodos está alejada de la tubería (>80m.) Vx Vi.e . x (3.5.1) 29 Donde: V: Potencial a una distancia x del punto de inyección Vi: Potencial en el punto de inyección α: Coeficiente de atenuación por unidad de longitud x: Distancia Rs.Gs (3.5.2) Donde: Rs: Resistencia eléctrica por unidad de longitud Gs: Conductividad del revestimiento por unidad de longitud Figura 3.4. Potencial en la Tubería a una Distancia x del Punto de Inyección 3.6. Corriente de protección Para conocer el número de ánodos que se van a necesitar en el SPC, es fundamental determinar la intensidad total de corriente necesaria mejor conocida como corriente de protección ó corriente requerida, [10]. La corriente de protección viene dada por la siguiente expresión donde Ap es la superficie a proteger y J en la densidad de corriente de protección: 30 (3.6.1) En el caso de una tubería enterrada Ap se divide en dos partes, el área protegida que es aquella que posee revestimiento y el área desprotegida o desnuda que no posee revestimiento bien sea por soldaduras, conexiones, deterioro en el revestimiento o degradación del mismo. Estas aéreas definidas poseen a su vez distintas densidades de corrientes de protección (J) que van a depender del material de la estructura y el medio en donde se encuentran y son medidas de acuerdo a la siguiente expresión. (3.6.2) Donde ΔIm es la diferencia de corriente medida entre dos puntos de la tubería y Sp es la superficie de la tubería entre los dos puntos mencionados. 3.7. Metodología propuesta para el diseño del SPC En la Figura 3.5 se muestra el esquema de SPC por corriente impresa a dimensionar Figura 3.5. Esquema de diseño del SPC En la figura 3.6 se muestra en esquema la metodología usada para el diseño de la protección catódica por corriente impresa en este trabajo. 31 Definir longitud de tubería No Ec 3.5.2 Factor de atenuación Ec 3.5.1 Caída de potencial Potencial al final de la tubería cumple con el límite establecido Sí Ec 3.7.1 Área total de la tubería Ec 3.7.10 Cálculo de cables Ec 3.7.3 Corriente de protección en el área revestida Ec 3.7.14 Resistencia de los cables Ec 3.7.4 Corriente de protección en el área desnuda Ec 3.7.13 Longitud del lecho Ec 3.7.2 Corriente de protección Ec 3.7.12 Resistencia del lecho Ec 3.7.15 Resistencia de la estructura Ec 3.7.5 Cálculo superficie del ánodo Ec 3.7.11 Resistencia total del circuito Ec 3.7.6 Corriente máxima del ánodo Ec 3.7.16 Capacidad del rectificador Ec 3.7.7 Número de ánodos en función de corriente máxima Ec 3.7.8 Material anódico requerido Ec 3.7.9 Numero de ánodos en función del consumo del material anódico Figura 3.6. Metodología usada para el diseño de la protección catódica por corriente impresa. Caída de Potencial Con el fin de determinar si es necesario más de un punto para la inyección de corriente a lo largo del gasoducto, debe calcularse la caída de potencial a lo largo de la tubería y determinar donde los niveles de potencial caen por debajo de los límites de protección 32 aceptables. Para una tubería de diámetro y espesor uniformes revestida uniformemente, este aumento de potencial sigue una ley exponencial, para ello se utiliza la fórmula siguiente [8]: Vx Vi.e . x (3.5.1) Donde: V: Potencial a una distancia x del punto de inyección (V) Vi: Potencial en el punto de inyección (V) α: Coeficiente de atenuación (m-1) x: Distancia (m) El factor de atenuación (α) es función particular de la tubería considerada y viene dado por: Rs.Gs (3.5.2) Donde: Rs: Resistencia eléctrica (Ω/m) Gs: Conductividad del revestimiento (Ω-1/m) Área de la estructura a proteger Comprende toda la superficie que estará expuesta al medio corrosivo y el cálculo de esta es fundamental para hallar la corriente de protección a ser inyectada por el rectificador. L D Figura 3.7. Sección de cilindro. 33 En tuberías de diámetro y espesor uniformes se calcula el área de la estructura utilizando la ecuación para el cálculo del área del cilindro, como se puede observar en la siguiente ecuación [11]: S .D.L (3.7.1) Donde: S: Superficie total del gasoducto (m2) D: Diámetro del gasoducto (m) L: Longitud del Gasoducto (m) Corriente de Protección Comprende la corriente requerida para proteger toda la estructura tomando en cuenta el porcentaje de superficie máxima que estará expuesta al medio. Para obtener la corriente de protección se utiliza la siguiente ecuación [11]: It Ipr Ipd (3.7.2) Donde: It Corriente total de protección (A) Ipr Corriente de protección en el área revestida (A) Ipd Corriente de protección en el área desnuda (A) Corriente de protección en el área revestida Es la corriente requerida para proteger el porcentaje de superficie de la tuberia que estará recubierta. Ipr S.% Ar.Jr (3.7.3) 34 Donde: Jr Densidad estimada de corriente del área revestida (mA/m2) Corriente de protección en el área desnuda Es la corriente requerida para proteger el porcentaje de superficie de la tubería que estará expuesta al medio ambiente. Ipd S.(1 % Ar ).Jp (3.7.4) Donde: Jp Densidad estimada de corriente del área desnuda (mA/m2) %Ar Porcentaje de área revestida Cálculo de la superficie del ánodo Es necesaria para calcular la corriente máxima que puede circular por el ánodo y para calcular el número de ánodos a instalar y puede ser calculada mediante la siguiente ecuación: Sa .Da.La (3.7.5) Donde: Sa Superficie total del ánodo (m2) Da Diámetro del ánodo (m) La Longitud del ánodo (m) Cálculo de la corriente por ánodo La corriente por ánodo es la corriente máxima que circulará por el ánodo, esta permitirá definir el numero de ánodos necesarios a instalar. Ia Sa.J (3.7.6) 35 Donde: Ia Corriente máxima del ánodo J densidad de corriente máxima recomendada Cálculo del número de ánodos a. Número total de ánodos estimados en función de la densidad máxima de corriente que puede soportar el ánodo. ni It Ia (3.7.7) b. Número total de ánodos estimados en función del consumo del material anódico nc Pr Pc (3.7.8) Donde: ni Numero de ánodos estimados por densidad de corriente nc Número de ánodos estimados por consumo de material Pc Peso total del ánodo (Kg) Pr Peso total de material anódico requerido (Kg) Peso total de material anódico requerido Debido a que el material anódico se consume con el pasar del tiempo, este debe ser dimensionado de tal forma que permanezca durante la vida útil requerida para el diseño. El peso total de material anódico requerido puede ser hallado mediante la siguiente expresión: (3.7.9) Ct Capacidad de drenaje anódico 36 Vu Vida útil esperada (#años) Fu Factor de utilización e eficiencia del ánodo Cálculo de Cables Una vez conocida la corriente total de protección, se procede a la selección del calibre del conductor según su capacidad de corriente usando de la tabla A.7 y la siguiente ecuación. [12] Ic It Fs (3.7.10) Donde: I Corriente Fs Factor de seguridad Cálculo resistencia total del circuito. El cálculo de la resistencia del circuito es fundamental para dimensionar el rectificador, para ello es necesario sumar la resistencia de los cables, la estructura y la del lecho de ánodos, mediante la siguiente ecuación [12]: Rcircuito Rcables Rlechohori zontal Re structura Donde: Rcircuito Resistencia total del circuito (Ω) Rcables Resistencia total de los cables (Ω) Rlechohorizontal Resistencia del lecho de ánodos (Ω) Restructura Resistencia de la estructura (Ω) (3.7.11) 37 El cálculo de la resistencia del lecho de ánodos depende fundamentalmente del número y la disposición de los ánodos en el terreno. Para calcular dicha resistencia se utilizó la siguiente expresión [12]: Rlechohori zontal 0,159 4.LL LL 2.h .l 2,3Log 2,3Log 2 LL Dl h LL (3.7.12) Donde: ρl Resistividad del lecho(Ω.m) Dl Diámetro del lecho (m) h Profundidad del lecho (m) LL Longitud del lecho (m) Sl Espaciamiento entre ánodos (m) N Número de ánodos del lecho La longitud del lecho de ánodos es necesaria para calcular la resistencia eléctrica del lecho de ánodos y se puede obtener mediante la siguiente ecuación: LL=N(La+Sl) (3.7.13) Para obtener la resistencia total de los cables, se calcula la resistencia del cable que va desde el rectificador hasta el lecho de ánodos, la resistencia de los cables que van desde la caja de conexiones hasta los ánodos y por último la que va desde el rectificador hasta la tubería. Luego de esto estas resistencias se suman como se observa en la siguiente ecuación [12]: Rcables Rcapos.Lcapos Donde: ( Rccpos .Lccpos ) N ccpos Rcaneg .Lcaneg (3.7.14) 38 Rcapos Resistencia del cable alimentador positivo (Ω/m). Lcapos Longitud del cable alimentador positivo desde el rectificador hasta la caja de positivos (m). Rccpos Resistencia del cable positivo para conectar cada ánodo (Ω/m). Lccpos Longitud del cable positivo desde la caja de positivos hasta cada una de los ánodos. (m) Nccpos Número de cables positivos, desde la caja de distribución de positivos hasta el lecho de ánodos. Rcaneg Resistencia del cable alimentador negativo por unidad de longitud (Ω/m). Lcaneg Longitud del cable negativo desde el rectificador hasta la caja de negativos. (m) Para obtener la resistencia de la tubería, se divide el potencial de protección entre la corriente de protección como se observa en la siguiente ecuación [12]: Re structura Pprot It (3.7.15) Donde: Pprot: Potencial de Protección (V) Capacidad del rectificador Los rectificadores se utilizan para inyectar una corriente de protección a la tubería para que ésta se polarice. Para dimensionar el rectificador utilizamos la resistencia total del circuito calculada anteriormente y la corriente total del sistema como se observa en la siguiente ecuación [12]: Vrectificador = (It . Rcircuito).Cr (3.7.16) 39 Donde: Cr porcentaje de reserva 3.8. Corriente directa máxima en cable directamente enterrado La temperatura nominal de un conductor es la temperatura máxima, en cualquier punto de su longitud, que el aislamiento puede soportar durante un período prolongado de tiempo sin que se produzca daño. Ningún conductor se debe utilizar de modo que su temperatura de funcionamiento supere la temperatura máxima de diseño. Los principales factores para determinar la temperatura de operación de los cables son: a) La temperatura ambiente. Esta puede variar a lo largo del conductor y con el tiempo. b) El calor generado interiormente en el conductor por el paso de la corriente eléctrica, incluidas las corrientes fundamentales y sus armónicas. c) El factor de disipación del calor generado al medio ambiente. El aislamiento térmico que cubre o rodea a los cables, puede afectar ese factor de disipación. Si las características térmicas no cambian con la temperatura, el circuito equivalente es lineal y el principio de superposición es aplicable para resolver cualquier forma y problema de flujo de calor. En la Figura 3.7 se encuentra una representación del modelo térmico [13]. Figura 3.8. Circuito térmico La diferencia de temperatura ΔT = Tc-Ta a travez del conductor debido a la resistencia termica viene representada por la expreción: 40 ΔT=W.Rth Si expresamos las perdidas del conductor (W) en terminos de corriente (I) y de la resistencia (R) mediante la siguiente expreción: W = I2.Rdc (3.8.1) Por lo tanto el incremento de temperatura asosiada con las perdidas en el conductor puede escribirse como: Tc-Ta = (I2.Rdc).Rth (3.8.2) Entonces la ampacidad del conductor puede ser calculada mediante la siguiente expresion: (3.8.3) En donde: Ta: Temperatura ambiente oC Tc: Temperatura del conductor oC Rdc : Resistencia dc del conductor Ω/m TR: Resistencía térmica entre conductor y ambiente Resistencia térmica entre el conductor y el ambiente TR es el termino más complejo de la ecuación 3.8.3 debido a que depende de las características físicas del cable y el medio que lo rodea. Se puede obtener TR mediante la siguiente ecuación [14]: TR=TRi + TRj (3.8.4) TRi: es la resistencia térmica del recubrimiento y se calcula mediante la siguiente expresión (3.8.5) 41 TRj es la resistencia térmica de la entre el cable y el medio que lo rodea y se puede obtener usando las expresiones siguientes: (3.8.6) (3.8.7) Donde: TR: es la resistencia térmica existente entre el conductor y el medio exterior (°K m/W) U: distancia desde la superficie hasta la superficie externa del cable (mm) L: distancia desde la superficie del suelo al eje del cable (mm) De: diámetro externo del cable (mm) ρT: resistividad térmica del suelo (°K m/W) ρr: resistividad térmica del revestimiento (°K m/W) rin: es el radio interno del cable rex: es el radio externo del cable Para determinar la corriente máxima que puede circular por el cable para una temperatura de operación dada, en régimen permanente se procede de la siguiente manera: Calcular la resistencia térmica ec 3.8.4 Fijar una temperatura de operación del conductor y de ambiente Obtener la resistencia en dc del conductor Obtener la corriente con la ec 3.8.3 Figura 3.9. Esquema de cálculo de la corriente máxima del conductor CAPITULO 4 DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA 4.1. Ubicación geográfica El nuevo gasoducto será alimentado por los Centros de Compresión Arecuna (CCA), Centro de Compresión y Tratamiento Bare (CCTB) y el Centro de Compresión y Tratamiento Melones (CCTM), ubicados geográficamente en los Municipios Francisco de Miranda, Simón Rodríguez, Guanipa e Independencia del Estado Anzoátegui, en las adyacencias de la estación ARED-4, al noreste de BARED-10 y la estación MED-20 respectivamente. Las coordenadas específicas de las instalaciones se muestran en la Tabla 4.1. Figura 4.1. Ubicación Geográfica. [15] 43 Tabla 4.1 Ubicación de los Centros CCA, CCTB, CCTM y West Lejos Lugar Latitud Longitud CCA 8°39'11.37"N 64°20'23.73"O CCTB 8°37'45.29"N 64° 0'24.09"O CCTM 8°41'28.88"N 63°43'1.65"O WEST LEJOS 8°50'7.08"N 63°35'13.85"O 4.2. Condiciones ambientales Los datos que a continuación se presentan forman parte de las condiciones climáticas de la zona: Tabla 4.2. Datos Meteorológicos. Área: Arecuna [16] Promedio Máximo: 32 (89,6°F) Promedio Mínimo: 21 (69,8°F) Promedio: 27 (80,6°F) Humedad Relativa Promedio Máximo: 85 (%) Promedio Mínimo: 61 Velocidad Máxima 48,50 (H =32,8ft) (44,2pie/s) Velocidad Básica (COVENIN) 85 (77,46pie/s) Dirección Predominante: N-NE Promedio Anual: 1010(3,31 pie) Máxima Mensual: 204 (0,64 pie) Altura Máx. / 24 horas: 107 (0,35 pie) Temperatura Ambiental (°C) Viento (km/h) Precipitación (mm) Altura S.N.M. (m) 215 (705,38 pie) Zona Sísmica 4 Los detalles, de las zonas climáticas Arecuna, Bare y Melones se encuentran ubicados en los anexos. 44 4.3. Criterios de Diseño 4.3.1. Consideraciones del diseño del SPC Los rectificadores de protección catódica se instalaran en las proximidades de las estaciones de compresión (para facilidad de supervisión, mantenimiento y evitar hurtos). Para que la protección catódica sea efectiva y eficiente se debe seleccionar el sistema por corriente impresa más adecuado para cada caso particular, que proporcione una corriente eléctrica suficiente, una distribución uniforme de la misma en la estructura a proteger, evite interferencias y daños en el recubrimiento anticorrosivo de tal manera que se cumpla con el criterio de protección seleccionado. Todos los sistemas de tuberías de acero deben contar con un sistema de protección definitivo, en un plazo no mayor a un año posterior a la terminación de su construcción. 4.3.2. Información mínima necesaria para el diseño Planos de planta y perfil de la ruta del gasoducto. Especificaciones de la tubería conexiones y otros accesorios. Tipo y calidad del recubrimiento anticorrosivo dieléctrico. Instalaciones adyacentes, cruces entre tuberías e interconexiones. Cruces encamisados. Aislamientos eléctricos. Puentes eléctricos. Sistemas de protección catódica existentes o propuestos. Posibles fuentes de interferencia. Condiciones especiales del ambiente. Estructuras metálicas enterradas vecinas. 45 4.3.3. Disponibilidad de energía eléctrica. Corrientes de agua. Perfil de resistividad del electrolito. Análisis físico-químicos y microbiológicos del electrolito. Ánodos galvánicos Para el diseño de un sistema de protección catódica con ánodos galvánicos se deben considerar los puntos siguientes: Selección del material de los ánodos a utilizar de acuerdo a la resistividad del electrólito, costo, disponibilidad, eficiencia del ánodo y vida útil deseada 4.3.4. Selección de la configuración de los ánodos Seguridad de funcionamiento Separación entre la estructura por proteger y los ánodos La separación de los ánodos a la estructura por proteger debe ser de al menos 4.5 metros y se debe emplear material de relleno con el fin de reducir su resistencia de contacto con el suelo. 4.3.5. Señalización del lecho de ánodos Se instalarán demarcadores o avisos en las ubicaciones de los lechos de ánodos, con unas dimensiones de 0,4 x 0,6 m, empotrados en una base de concreto de 0,3 x 0,3 x 1,0 m con una resistencia de 210 kg/cm2. 46 4.3.6. Puntos para medición de potencial Se instalarán puntos para medición de potencial a todo lo largo del recorrido de la tubería, con una separación típica de 100 m con el número de progresiva respectivo. 4.4. Premisas y bases del diseño 4.4.1. Datos para el Diseño Tabla 4.3 Datos de diseño Tramo I Tramo II Tramo III MATERIAL DE LA TUBERÍA ACERO ACERO ACERO DIÁMETRO DEL GASODUCTO 10” 16” 20” LONGITUD DEL GASODUCTO 52,00 km 44,00 km 26,00 km REVESTIMIENTO DE TUBERÍA RESINA RESINA RESINA EPÓXICA EPÓXICA EPÓXICA 4.4.2. Premisas del Cliente La vida útil del sistema de protección catódica estará en concordancia con la vida útil de la estructura, la cual es de 20 años como mínimo. Todas las tuberías que entran o salen, así como las distintas zonas de protección serán aisladas por medio de juntas aislantes. Debido a que se utilizarán tubos revestidos con resina epóxica la máxima tensión aplicable será de -1,5 V. [12] Los puntos de medición se colocarán con una separación de 1 km. Se utilizará un punto para medición de potencial conformado por una celda de referencia fija. La celda de referencia fija será del tipo preempacadas de cobre/sulfato de cobre (Cu/CuSO4) para medición de potencial para los ánodos. 47 4.4.3. Criterios de Diseño Para la realización del diseño del sistema de protección catódica se tienen en consideración las siguientes situaciones: La superficie a proteger está conformada por el 100 % del área superficial del gasoducto, con la finalidad de proteger las secciones de la estructura que se encuentren expuestas al agua y a los sedimentos. Se utilizará una densidad de corriente de diseño (δ) de 11,0 mA/m2 (suelo aireado y seco) para el área de superficie desnuda en el gasoducto. Ver tabla A.1 y A.2 en anexos Se utilizará una densidad de corriente de diseño (δ) de 0,10 mA/m2 para el área de superficie protegida en el gasoducto. Ver tabla A.3 en anexos Se utilizará un porcentaje de área desnuda de 14,96 % correspondiente a 20 años de servicio. Ver tabla A.4 en anexos Se utilizarán ánodos de tipo Hierro-Silicio-Cromo aptos para suelos secos con resistividad baja y media. La resistividad a considerar para el Tramo I y II (progresiva 0+000 hasta 96+000) es de 4.250 Ω.m en promedio para las tres capas [15] La resistividad a considerar para el Tramo III (progresiva 96+000 hasta 122+000) es de 4.850 Ω.m en promedio para las tres capas. [15] 4.5. Diseño 4.5.1. Tramo I Arecuna-Bare En la figura 4.2 se muestra la ruta de tubería de 52 km desde el centro de compresión Arecuna hasta el centro de compresión y tratamiento Bare. Este primer tramo está dividido en dos secciones. La sección 1 desde Arecuna hasta el seccionamiento de 23 km de longitud y la sección 2 desde seccionamiento hasta Bare de 29 km. 48 Figura 4.2. Tramo I Arecuna-Bare. 4.5.1.1. Superficie total a proteger La superficie a proteger será la superficie total de cada sección del gasoducto para ello se utilizara la fórmula para el cálculo de la superficie de un cilindro anteriormente mencionada (4.7.1): Datos: D: Diámetro del gasoducto (m) [10” = 0,254 m] L: Longitud del gasoducto (m) [52 km] L1: Longitud de la sección 1 (m) [23 km] L2: Longitud de la sección 2 (m) [29 km] Calculando la superficie del gasoducto en la sección 1 y sección 2 respectivamente se obtuvieron los siguientes resultados: S1 = π . 0,254 . 23000 = 18353,23 m2 S2 = π . 0,254 . 29000 = 23141,03 m2 49 4.5.1.2. Cálculo de la corriente total La corriente total se calculó tomando en cuenta que el revestimiento de la tubería se deteriora en el transcurso del tiempo. Para ello se uso el valor del Deterioro del revestimiento a los 20 años de uso (14,96% aproximados a 15%), que es la vida útil esperada del gasoducto, tomada de la tabla A.4 ubicada en los anexos. El nivel de corriente necesaria para proteger el gasoducto se calculó usando las ecuaciones (3.7.2), (3.7.3) y (3.7.4): Ipr: Corriente de protección en el área revestida (85% del gasoducto) Ipd: Corriente de protección en el área desnuda (≈15% del gasoducto) El nivel de corriente de protección en las áreas revestidas se calculó usando la ecuación (4.7.3) y será la siguiente: Donde: %Ar: 85% de la superficie total del gasoducto (m2) Jr: Densidad estimada de la corriente, valor tomado de la tabla A.3 ubicada en los anexos Ipr1 = (18353,23 . 0,85) . 0,000100 = 1,56 A Ipr2 = (23141,03 . 0,85) . 0,000100 = 1,97 A El nivel de corriente de protección en las áreas desnudas (14,96 % ≈ 15 %) será la siguiente: Donde: S: 15% de la superficie total del gasoducto (m2) Jp: Densidad estimada de la corriente. Valor tomado de las tablas A.1 y A.2 ubicadas en los anexos Ipd1 = (18353,23.0,15) . 0,011 = 30,28 A 50 Ipd2 = (23141,03. 0,15) . 0,011 = 38,18 A Utilizando la ecuación (3.7.2) se obtuvo el nivel de corriente de protección en toda el área de la tubería será la siguiente: It1 = 1,56 + 30,28= 31,84 A It2 = 1,97 + 38,18= 40,15 A 4.5.1.3. Cálculo de potencial al final de las tuberías Con el fin de determinar si es necesario más de un punto para la inyección de corriente a lo largo del gasoducto, debe calcularse la caída de potencial a lo largo de la tubería y determinar dónde los niveles de potencial caen por debajo de los límites de protección aceptables, para ello se utilizan los datos de la Tabla 4.4.: Tabla 4.4. Datos de la Tubería y Aislamiento Sección 1 y 2 Diámetro exterior en pulgadas 10,0” 0,254 m Longitud en kilómetros sección 1 23,00 km 23.000 m Longitud en kilómetros sección 2 29,00 km 29.000 m Potencial de inyección -1,200 V Potencial final -0,850 V Resistencia eléctrica de la tubería Conductividad eléctrica del 3,50x10-2 Ω.mm2/m 1,2x10-5 S/m2 aislamiento Al utilizar los datos de la Tabla 4.4 y las ecuaciones (3.5.1 y 3.5.2), se pudo obtener el Voltaje al final de las secciones 1 y 2 de la tubería como se puede ver en la Tabla 4.5. Estos voltajes son inferiores al voltaje máximo permitido (-0,85V), esto indica que la estructura estará protegida en su 51 totalidad al cumplir con el criterio fundamental de la protección catódica explicado anteriormente. Tabla 4.5. Potencial al Final de la Tubería Sección 1 y 2 Sección 1 Sección 2 -1,031 V -0,991 V VF α 6,61x10-6 m-1 6,61x10-6 m-1 4.5.1.4. Selección del tipo de ánodos Debido a que el suelo es de mediana resistencia (arenoso arcilloso y seco), se escoge el uso de ánodos de tipo Fe-Si-Cr, el cual posee un consumo aproximado de 1,0 Kg/A.año con un factor de utilización de 0,85. En la Tabla 4.6 se encuentran las características de los ánodos seleccionados Tabla 4.6. Características de los Ánodos CARACTERÍSTICAS DE LOS ÁNODOS (c/u) MATERIAL DEL ÁNODO Fe-Si-Cr FORMA CILÍNDRICA LARGO 150 cm DIÁMETRO 5 cm PESO 22,5 kg CAPACIDAD DE CORRIENTE 4.5.1.5. 15 Cálculo del número de ánodos Para calcular el número de ánodos es necesario obtener la corriente máxima que puede circular a través del mismo. Para ello se debe hallar primero el área superficial del ánodo. 52 Cálculo de la superficie del ánodo Para calcular la superficie del ánodo se utilizo la ecuación (3.7.5) Sa = 2.356,194 cm2 Cálculo de la corriente por ánodo Para calcular la superficie del ánodo se utilizo la ecuación (3.7.6) J: densidad de corriente máxima, valor tomado de la tabla A.5 ubicada en los anexos Ia = 2.356,194 mA ≈ 2,356 A Número total de ánodos estimados en función de la densidad máxima de corriente Para calcular el número de ánodos en función a la densidad máxima de corriente se utilizó la ecuación (3.7.7) Sección 1 n = 31,84 / 2,356 = 13,514 ≈ 14 ánodos (como mínimo) Incluyendo una reserva del 15 % n = 13,514 . 1,15 = 15,541 ≈ 16 ánodos (valor estándar) Sección 2 n = 40,15 / 2,356 = 17,042 ≈ 17,0 ánodos (como mínimo) Incluyendo una reserva del 15 % n = 17,042 . 1,15 = 19,597 ≈ 20 ánodos (valor estándar) 53 Número total de ánodos estimados en función del consumo de material en los ánodos. Para calcular el número de ánodos en función del consumo de material se utilizó la ecuación (3.7.8) Sección 1 n = (353,07) / (22,5) = 15,69 ≈ 16 ánodos Sección 2 n = (445,179) / (22,5) = 19,786 ≈ 20 ánodos 4.5.1.6. Disposición del lecho de ánodos Los lechos de ánodos de Hierro Silicio será instalado en forma horizontal, a 3 metros de profundidad, perpendicular a la ruta del gasoducto y separados entre sí una distancia de 7,5 m [12] Con el fin de expandir la capacidad efectiva de los ánodos, estos serán instalados con un relleno mezclado con coque metalúrgico y bentonita. Los lechos de ánodos serán conectados a una caja de conexión de positivos ubicado sobre el suelo, con el objetivo de verificar individualmente su estado durante los 20 años de servicio al sistema. Igualmente esto permite el reemplazo o el anexo de nuevos ánodos en caso de que sea necesario. Los lechos de ánodos estarán separados de la tubería a una distancia mínima de de 150 m [12]. 4.5.1.7. Cálculo de los cables eléctricos Sección 1 54 Realizando el cálculo del conductor por capacidad de corriente y temperatura (3.7.10), tenemos: Ic I 31,84 39,80 A 0,8 0,8 Lo que corresponde a un cable principal (positivo y negativo) calibre # 8 AWG TTU 75°C (directamente enterrado), como alimentador de la Caja de Distribución de Positivos y Caja de Distribución de Negativos. Según tabla A.7. Para los ánodos poseen una máxima dispersión de corriente de 15 A, debido a exigencias particulares del cliente utilizará un cable calibre # 12 AWG TTU 75°C. Sección 2 Realizando el cálculo del conductor por capacidad de corriente y temperatura (3.7.10), tenemos: Ic It 40,15 50,19 A 0,8 0,8 Lo que corresponde a un cable principal (positivo y negativo) calibre # 6 AWG TTU 75°C (directamente enterrado), como alimentador de la Caja de Distribución de Positivos y Caja de Distribución de Negativos. Para los ánodos poseen una máxima dispersión de corriente de 15 A, debido a exigencias particulares del cliente utilizará un cable calibre # 12 AWG TTU 75°C. 4.5.1.8. Resistencia total del circuito En las tablas 4.7. y 4.8., se muestran los resultados de las resistencias de los circuitos para la sección 1 y la sección 2 respectivamente. Las tablas presentan la resistencia total del circuito (Rcircuito) calculados mediante la ecuación (3.7.11). También se puede observar los resultados de la resistencia de los cables del circuito (Rcables), determinada por la 55 contribución de la resistencia del cable alimentador positivo (fuente y carga), la resistencia del cable alimentador negativo (fuente y carga) y será calculada de acuerdo a la ecuación (3.7.14). La resistencia de la estructura (Restructura) está dada por la expresión (3.7.15) y Rlechohorizontal por la expresión (3.7.12). Sección 1 Tabla 4.7. Resistencias del Circuito Sección 1. Rlechohorizontal Rcables Restructura Rcircuito 3,04 Ω 0,54 Ω 0,038 Ω 2,47Ω Sección 2 Tabla 4.8. Resistencias del Circuito Sección 2. Rlechohorizontal Rcables Restructura Rcircuito 2,74Ω 4.5.1.9. 0,34 Ω 0,03 Ω 2,44Ω Dimensionamiento del rectificador El nivel de corriente a ser entregado por los rectificadores de protección catódica de la sección 1 y 2 se calculó a través de la ecuación (3.7.16) arrojando los resultados: Ir1 = It . 1,20 = 31,84 . 1,20 = 38,21 Ir2= It . 1,20 = 40,15 . 1,20 = 48,18 El nivel de voltaje de los rectificadores de protección catódica de la sección 1 y 2 se calculó a través de la ecuación (3.7.17) arrojando los resultados mostrados en la Tabla 4.9: Tabla 4.9. Voltaje, Corriente y Potencia del Rectificador Sección 1 y 2 56 Sección 1 Sección 2 Vr(V) Ir(A) P (KVA) 139,60 141,20 38,31 48,18 5,33 6,80 4.5.2. Tramo II Bare-Melones En la Figura 4.3 se muestra la ruta de tubería de 44 km desde el centro de compresión y tratamiento Bare hasta el centro de compresión y tratamiento Melones. Este segundo tramo está dividido en dos secciones de igual longitud. La sección 3 desde Bare hasta el seccionamiento de 22 km de longitud y la sección 4 desde seccionamiento hasta Melones de 22 km. Figura 4.3. Tramo II Bare-Melones. 4.5.2.1. Superficie total a proteger La superficie a proteger será la superficie total de cada sección del gasoducto. Para ello se utilizará la fórmula para el cálculo de la superficie de un cilindro anteriormente mencionada (3.7.1): Datos: D: Diámetro del gasoducto (m) [16” = 0,406 m] L: Longitud del Gasoducto (m) [44 km] L1: Longitud de la sección 3 (m) [22 km] 57 L2: Longitud de la sección 4 (m) [22 km] Calculando la superficie del gasoducto en la sección 3 y sección 4 se obtuvieron los siguientes resultados respectivamente: S3 = π . 0,406 . 22000 = 28060,77 m2 S4 = π . 0,406. 22000 = 28060,77 m2 4.5.2.2. Corriente total El nivel de corriente necesaria para proteger la sección 3 y 4 del gasoducto se calculó usando las ecuaciones (3.7.2), (3.7.3) y (3.7.4) y los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 4.10: Tabla 4.10. Corriente Total Sección 3 y 4 4.5.2.3. It (A) Ipr(A) Ipd(A) Sección 3 48,69 2,39 46,30 Sección 4 48,69 2,39 46,30 Cantidad y ubicación de los puntos de inyección de corriente Para calcular la caída de potencial a lo largo de la tubería y determinar donde los niveles de potencial caen por debajo de los límites de protección aceptables, se utilizaron los datos de la Tabla 4.11. Tabla 4.11. Datos de la Tubería y Aislamiento Sección 3 y 4 58 Diámetro exterior en pulgadas 16,0” 0,406 m Longitud en kilómetros sección 3 22,00 km 22.000 m Longitud en kilómetros sección 4 22,00 km 22.000 m Potencial de inyección -1,200 V Potencial final -0,850 V 3,50x10-2 Ω.mm2/m Resistencia eléctrica de la tubería Conductividad eléctrica del aislamiento 1,2x10-5 S/m2 Utilizando los datos de la Tabla 4.11 y las ecuaciones (3.5.1 y 3.5.2), se pudo obtener el Voltaje al final de las secciones 3 y 4 de la tubería como se puede ver en la Tabla 4.12. Estos voltajes son inferiores al voltaje máximo permitido (-0,85V), esto indica que la estructura estará protegida en su totalidad. Tabla 4.12. Potencial al Final de la Tubería Sección 3 y 4 4.5.2.4. Sección 3 Sección 4 VL -1,039 V -1,039 V α 6,56x10-6 m-1 6,56x10-6 m-1 Cálculo del número de ánodos Número total de ánodos estimados en función de la densidad máxima de corriente. Sección 3 y 4 Para calcular el número de ánodos en función a la densidad máxima de corriente utilizó la ecuación (3.7.7) n = 20,666 ≈ 21 ánodos (como mínimo) Incluyendo una reserva del 15 % n = 23,766 ≈ 24 ánodos (valor estándar) 59 Número total de ánodos estimados en función del consumo de peso en los ánodos. Sección 3 y 4 Para calcular el número de ánodos en función del consumo de material se utilizó la ecuación (3.7.8) y arrojó el siguiente resultado: n = 23,99 ≈ 24 ánodos 4.5.2.5. Cálculo de los cables eléctricos Sección 3 y 4 Realizando el cálculo del conductor por capacidad de corriente y temperatura tenemos Ic 60,86 A . Lo que corresponde a un cable principal (positivo y negativo) calibre # 6 AWG TTU 75°C, como alimentador de la Caja de Distribución de Positivos y Caja de Distribución de Negativos. Para los ánodos se utilizarán cables calibre # 12 AWG TTU 75°C. Resistencia total del circuito En las tablas 4.13. y 4.14. se muestran los resultados del cálculo de las resistencias de los circuitos para la sección 3 y la sección 4 respectivamente. Para estos cálculos se utilizaron las ecuaciones (3.7.11), (3.7.12), (3.7.14) y (3.7.15). Tabla 4.13. Resistencias del Circuito Sección 3 Rlechohorizontal Rcables Restructura Rcircuito 1,80Ω 0,34 Ω 0,025 Ω 2,16Ω 60 Tabla 4.14. Resistencias del Circuito Sección 4 Rlechohorizontal Rcables Restructura Rcircuito 1,80Ω 4.5.2.6. 0,34 Ω 0,025 Ω 2,16Ω Dimensionamiento del rectificador El nivel de voltaje y corriente de los rectificadores de protección catódica de la sección 3 y 4 se calcularon a través de la ecuación (3.7.16) y (3.7.17) arrojando los resultados expuestos en la tabla 4.15.: Tabla 4.15. Voltaje, Corriente y Potencia del Rectificador Sección 3 y 4 Sección 3 Sección 4 Vr(V) Ir(A) P (KVA) 151,17 151,17 58,42 58,42 8,83 8,83 4.5.3. Tramo III. Melones - West Lejos En la Figura 4.4 se muestra la ruta de tubería de 25 km desde el centro de compresión y tratamiento Melones hasta el centro de compresión West Lejos. Este tercer y último tramo está dividido en dos secciones. La sección 5 desde Melones hasta el seccionamiento, de 11 km de longitud y la sección 6 desde seccionamiento hasta West Lejos, de 14 km. Figura 4.4. Tramo III Melones-Westlejos. 61 4.5.3.1. Superficie total a proteger La superficie a proteger será la superficie total de cada sección del gasoducto para ello se utilizara la fórmula para el cálculo de la superficie de un cilindro anteriormente mencionada (4.7.1): D: Diámetro del gasoducto (m) [20” = 0,508 m] L: Longitud del Gasoducto (m) [25 km] L5: Longitud de la sección 1 (m) [11 km] L6: Longitud de la sección 2 (m) [14 km] Calculando la superficie del gasoducto en la sección 5 y sección 6 respectivamente se obtuvieron los siguientes resultados S5 = π . 0,508. 11000 = 17555,26 m2 S6 = π . 0,508 . 14000 = 22343,06 m2 4.5.3.2. Cálculo de la corriente Total El nivel de corriente necesaria para proteger la sección 5 y 6 del gasoducto se calculó usando las ecuaciones (3.7.2),(3.7.3) y (3.7.4) y los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 4.16.: Tabla 4.16. Corriente Total Sección 5 y 6 Sección 5 Sección 6 It (A) Ipr(A) Ipd(A) 30,46 38,76 1,49 1,90 28,97 36,87 62 4.5.3.3. Cantidad y ubicación de los puntos de inyección de corriente Para calcular la caída de potencial a lo largo de la tubería y determinar donde los niveles de potencial caen por debajo de los límites de protección aceptables, se utilizaron los datos de la Tabla 4.17. Tabla 4.17. Datos de la Tubería y Aislamiento Sección 5 y 6 Diámetro exterior en pulgadas 20,0” 0,508 m Longitud en kilómetros sección 5 11,00 km 11.000 m Longitud en kilómetros sección 6 14,00 km 14.000 m Potencial de inyección -1,200 V Potencial final -0,850 V Resistencia eléctrica de la tubería Conductividad eléctrica del aislamiento 3,50x10-2 Ω.mm2/m 1,2x10-5 S/m2 Utilizando los datos de la Tabla 4.17. y las ecuaciones (3.5.1 y 3.5.2), se pudo obtener el voltaje al final de las secciones 5 y 6 de la tubería, como se puede ver en la tabla 4.18. Estos voltajes son inferiores al voltaje máximo permitido (-0,85V), esto indica que la estructura estará protegida en su totalidad. Tabla 4.18. Potencial al Final de la Tubería Sección 5 y 6 VL Sección 5 Sección 6 -1,117 V -1,095 V Α 6,55x10-6 m-1 6,55x10-6 m-1 63 4.5.3.4. Cálculo del número de ánodos Para calcular el número de ánodos es necesario obtener la corriente máxima que puede circular a través del mismo. Para ello se debe hallar primero el área superficial del ánodo. Sección 5 Número total de ánodos estimados en función de la densidad máxima de corriente Para calcular el número de ánodos en función a la densidad máxima de corriente utilizó la ecuación (3.7.7) n = 12,93 ≈ 13 ánodos (como mínimo) Incluyendo una reserva del 15 % n = 14,86 ≈ 15 ánodos (valor estándar) Número total de ánodos estimados en función del consumo de peso en los ánodos Para calcular el número de ánodos en función del consumo de material se utilizó la ecuación (3.7.8) y arrojó el siguiente resultado. n = 15,01 ≈ 16 ánodos Sección 6 Número total de ánodos estimados en función de la densidad máxima de corriente n = 16,451 ≈ 17 ánodos (como mínimo) Incluyendo una reserva del 15 % n = 18,919 ≈ 19 ánodos (valor estándar) Número total de ánodos estimados en función del consumo de peso en los ánodos 64 n = 19,103 ≈ 20 ánodos 4.5.3.5. Cálculo de los cables eléctricos Sección 5 Realizando el cálculo del conductor por capacidad de corriente y temperatura tenemos Ic 37,07 A . Lo que corresponde a un cable principal (positivo y negativo) calibre #8 AWG TTU 75°C, como alimentador de la caja de distribución de positivos y caja de distribución de negativos. Para los ánodos se utilizará un cable calibre #12 AWG TTU 75°C. Sección 6 Realizando el cálculo del conductor por capacidad de corriente y temperatura tenemos Ic 48,45 A . Lo que corresponde a un cable principal (positivo y negativo) calibre # 6 AWG TTU 75°C, como alimentador de la caja de distribución de positivos y caja de distribución de negativos. Para los ánodos se utilizará un cable calibre # 12 AWG TTU 75°C. 4.5.3.6. Resistencia total del circuito En las Tablas 4.19. y 4.20., se muestran los resultados del cálculo de las resistencias de los circuitos para la sección 5 y la sección 6 del gasoducto. Para estos cálculos se utilizaron las ecuaciones (3.7.11), (3.7.12), (3.7.14) y (3.7.15). Sección 5 Tabla 4.19. Resistencias del circuito sección 5 Rlechohorizontal Rcables Restructura Rcircuito 2,47Ω 0,54 Ω 0,039 Ω 3,05Ω 65 Sección 6 Tabla 4.20. Resistencias del circuito sección 6 Rlechohorizontal Rcables Restructura Rcircuito 2,07Ω 4.5.3.7. 0,34 Ω 0,031 Ω 2,44Ω Dimensionamiento del rectificador El nivel de voltaje y corriente de los rectificadores de protección catódica de la sección 5 y 6 se calcularon a través de la ecuación (3.7.16) y (3.7.17) arrojando los resultados expuestos en la Tabla 4.21: Tabla 4.21. Voltaje, corriente y potencia del rectificador secciones 5 y 6 Vr(V) Ir(A) P (KVA) Sección 5 133,60 36,55 4,88 Sección 6 136,40 46,51 6,34 4.5.3.8. Comparación entre corriente máxima de tabla A.7 y corriente máxima calculada. Los cables fueron directamente enterrados a una profundidad de 0,7 m. Utilizando la ecuación (4.8.3) y empleando los coeficientes de resistencia térmica del suelo 0,6oKm/W y 1,2oKm/W que corresponden a valores estándar para suelos húmedos y suelos muy secos respectivamente [17], la temperatura ambiente se fijo en 40oC y temperatura nominal del conductor en 75oC. Se obtuvieron los resultados mostrados en la Tabla 4.22, donde se evidencia que los conductores para las condiciones estudiadas pueden soportar hasta 258% la carga nominal. Por lo tanto los cables seleccionados pueden ser instalados. 66 Tabla 4.22 Comparación de capacidad máxima de corriente entre tabla usada y valores calculados Capacidad Calibre AWG Resistencia de x10-3 corriente (Ω/m) tabla usada (A) Capacidad Capacidad corriente corriente Resistencia (A) (A) térmica del calculada calculada recubrimiento con con o K m/W resistividad resistividad térmica 0.6 o K m/W térmica 1.2 TR TR con con resistividad resistividad térmica 0.6 o K m/W térmica 1.2 o K m/W o K m/W 12 5.32 20 0.314 59 76 0.615 1.231 8 2.10 40 0.136 106 142 0.543 1.086 6 1.32 55 0.087 138 192 0.503 1.006 CAPITULO 5 INTERFERENCIA EN TUBERÍAS POR EFECTO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE ALTO VOLTAJE 5.1. Interferencia en tuberías por efecto de líneas de transmisión de alto voltaje La interferencia en tuberías por efecto de líneas de transmisión (ITPLT) no solo resulta peligroso para las personas que puedan estar en contacto con la tubería sino también puede traer como consecuencia el deterioro de la protección catódica [18]. Se entiende por ITPLT como el cambio de potencial y corriente en la tubería debido al efecto electromagnético producido por las líneas de alta tensión. Cuando una línea de alta tensión transporta una determinada corriente eléctrica, se produce un campo magnético alrededor de los conductores que al entrar en contacto con la tubería genera tensión conocida como “tensión inducida” descrita por la ecuaciones de Maxwell. La tensión inducida es proporcional a la corriente y la longitud de exposición mutua entre la línea y la tubería, y es inversamente proporcional a la distancia entre ellas. Figura 5.1 Interferencia en tuberías por efecto de líneas de transmisión. 68 5.2. Aproximación para secciones oblicuas de tubería Para obtener una aproximación en el caso de una ruta de tubería que no esté en paralelo con la línea de transmisión, es decir que presente secciones oblicuas con pocas curvaturas y pocos cambios en dirección, la tubería puede ser aproximada como una sumatoria de curvas promedio [10]. En la Figura 5.2 se puede observar un ejemplo de aproximación para secciones oblicuas. Figura 5.2. Ejemplo de aproximación para secciones oblicuas de tubería. Para considerar la sección oblicua como una sección paralela con una distancia relativa Ad desde la línea de transmisión, puede ser calculada mediante la siguiente expresión [10]: (5.2.1) En donde: Ad representa la distancia promedio entre dos puntos de la tubería a1 y a2 que se observan en la Figura 5.2 La distancia entre a1 y a2 no puede ser elevada debido a que pierde precisión en los cálculos. Mientras más divisiones se realicen más precisos serán los cálculos, por lo tanto es se utiliza como criterio la siguiente expresión [19]: (5.2.2) 69 5.3. Cálculo de tensión inducida en tubería por ecuaciones de Carson-Clem La impedancia mutua puede ser expresada por la formula (5.3.1), donde Dm es la distancia entre el conductor y la tubería [19]. Los términos ΔRc y ΔjXc son los términos de corrección que están alrededor al 1% del valor de Zm y serán descartados para este estudio. (5.3.1) La tensión inducida para la configuración simple terna viene dada por la expresión: (5.3.2) 5.4. Modelo para el cálculo de potenciales en tubería paralela a línea de transmisión Para calcular el voltaje en la tubería debido a la tensión inducida E producido por la línea de transmisión se utilizó el siguiente modelo: Figura 5.3. Modelo para el cálculo de potenciales en tubería paralela a línea de transmisión. [10] ω=2πf, f es la frecuencia a la cual opera la línea (en este caso 60Hz). Para los cálculos se tienen las siguientes aproximaciones. 70 La tubería es paralela a la línea de transmisión El campo magnético no varía a lo largo de la sección Los valores R’,G’,Z’,Y’, ru son constantes La resistividad del suelo no varía Los potenciales a lo largo de la tubería se pueden obtener mediante la ecuación (5.4.1), donde U es el potencial de la tubería a una distancia x, donde las variables A y B resultan de las condiciones terminales entre la tubería y la línea de transmisión [8]: (5.4.1) Coeficiente de transferencia depende de la impedancia Z´ y la admitancia Y´ que son cantidades características de la tubería [8]: (5.4.2) Impedancia característica de la tubería [8]: (5.4.3) Para calcular los términos de las ecuaciones (5.4.2) y (5.4.3) es importante revisar el contenido indicado en la bibliografía [8]. 5.5. Metodología propuesta El siguiente procedimiento es usado para calcular los niveles de inducción en las tuberías [21]. Obtener una aproximación de la ruta de tubería que esté en paralelo con la línea de transmisión, por el método de aproximación para secciones oblicuas de tubería Determinar las distancias entre conductores y tubería del nuevo modelo de ruta de tubería paralela a la línea de transmisión 71 Utilizar las ecuaciones de Carson-Clem para determinar la tensión inducida para las distintas secciones del modelo de tubería Utilizar el Modelo para el cálculo de potenciales en tubería paralela a línea de transmisión para obtener las tensiones en distintos puntos de la tubería. 5.6. Caso estudio Para realizar el estudio que se presenta continuación, se propone el caso hipotético de una línea de transmisión de alto voltaje de gran longitud (longitud infinita) que cruza la sección 1 del Tramo I Arecuna-Bare, como refleja la Figura 5.4. Figura 5.4. Caso planteado cruce de línea con tubería. La línea de transmisión planteada ver Figura 5.5 transmite corriente nominal a 500A a 60Hz con tensión nominal de 345kV [18], simple terna configuración horizontal. 72 Figura 5.5. Geometría de Estructura Planteada 345KV. 5.7. Cálculos para la obtención de los potenciales a lo largo de la tubería Aplicando el método de aproximación para secciones oblicuas de tubería a la sección uno del gasoducto después de definir la ruta de la línea de transmisión, se obtuvo la Tabla 5.1 utilizando las ecuaciones (5.2.1) y (5.2.2) donde LDS es la longitud de la sección y Δx es la distancia entre la línea y la sección. Tabla 5.1 Distancias obtenidas por aproximación para secciones oblicuas de tubería para el caso estudio. Sección LDS (m) Δx (m) 0-1 35 5077 1-2 1065 3143 2-3 1131 1455 3-4 391 507 4-5 156 190 5-6 44 79 6-7 74 0 7-8 70 89 8-9 165 242 9-10 477 603 10-11 1858 543 Sección LDS (m) Δx (m) 11-12 691 184 12-13 210 73 13-14 117 31 14-15 4754 20 15-16 44 0 16-17 39 15 17-18 106 41 18-19 299 114 19-20 737 305 20-21 2170 826 21-22 2456 1837 73 La representación gráfica de la aproximación para las secciones oblicuas de la tabla 5.1 se puede observar en la siguiente Figura 5.6. Figura 5.6. Aproximación de secciones oblicuas de tubería para el caso estudio. Utilizando las ecuaciones de Carson-Clem (5.3.1) y (5.3.2) se halló la tensión inducida en las secciones aproximadas. Ver Tabla 5.2. Tabla 5.2. Tensiones inducidas por la línea de transmisión a la tubería. Sección 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 E(mV/m) 0,0982 0,1587 0,3428 0,9817 2,5983 6,0098 3,0256 5,3637 2,0539 0,8263 0,9118 Sección 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 E(mV/m) 2,6899 6,4177 11,8813 13,2728 3,0256 12,6647 10,1494 4,2634 1,6277 0,6039 0,2715 74 Para finalizar, se elaboró un gráfico, ver Figura 5.7., que muestra el potencial a lo largo de la tubería. El potencial fue calculado usando las ecuaciones (5.4.1), (5.4.2) y (5.4.3). Voltaje (V) Los resultados fueron comparados con trabajos [20] y [21] anteriores y son coherentes. 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 Longitud de tubería (m) Figura 5.7. Potenciales a lo largo de la tubería. En la figura 5.7 se puede observar que los potenciales en la tubería con el método de cálculo propuesto exceden los 15 V. De acuerdo a las normas N.A.C.E. RP0177 se deben utilizar métodos de mitigación para reducir el potencial en la tubería o sufrirá corrosión. Algunos métodos de mitigación contemplan aumentar la distancia entre la tubería y la líneas de alta tensión durante la etapa de diseño del proyecto, también se pueden instalar sistemas de aterramiento o equipos como son las celdas de polarización. 75 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Es sumamente importante que el informe bacteriológico y sobretodo el estudio de resistividad de los suelos se desarrolle con la mayor precisión posible para que arroje datos confiables. Este informe es la base de este estudio y diseño, ya que la toma de decisiones y por lo tanto la ingeniería, están basadas en la información suministrada por él. En el caso de este libro, un estudio de suelos deficiente o erróneo generaría como consecuencia un diseño de protección catódica y análisis de interferencias por líneas de alto voltaje y sobretensiones defectuoso. Sin contar la cantidad de capital perdido de ejecutarse o no el proyecto. Es necesario que el tratamiento de la tubería con la resina epóxica y su posterior transporte e instalación se ejecuten con cuidado ya que cualquier deterioro de la capa de protección aumentará la velocidad de envejecimiento del gasoducto. Sería ideal que el sistema de protección catódica incluyera un sistema de monitoreo que arroje valores de voltaje y corriente, ya que estos pueden variar debido a efectos climáticos, interferencias de distinta índole, deterioro del recubrimiento o simplemente envejecimiento. Esto para saber si se están violando los límites de voltaje de la tubería o los ánodos. Y que exista la opción de variar remotamente estos parámetros en el rectificador para así aumentar eficazmente la vida útil del gasoducto. Es necesario que con cierta periodicidad revise en la caja de conexiones las corrientes que fluyen por los ánodos para revisar el estado de los mismos. Para disminuir la resistencia del lecho de ánodos se solicitó que el terreno fuese tratado con coque para posteriormente instalar los ánodos con su respectivo relleno. Los resultados del caso hipotético de interferencia de tuberías por efecto de líneas de transmisión de alto voltaje con el método de cálculo propuesto, arrojan que se deben utilizar métodos para reducir el potencial en la tubería debido a que excede los 15 V de acuerdo a las normas N.A.C.E. RP0177. 76 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Cortéz, M., Ortiz, P. “Corrosión” Apuntes Científicos Uniandinos, No.4 Dic 2004 [2] Koch, G.H., Brongers, M., Thompson, N., Virmani, P., Payer, J.H. (2002) “Corrosion Costs and Preventive Strategies in the United States”. U.S Department of Transportation. No FHWA-RD-01-156. [3] Hernández, J. S. “Monitoreo de la protección catódica a línea submarina No. 161 de 36" Rebombeo/Dos Bocas de la Región Marina Suroeste en la sonda de Campeche”. 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Densidades de corriente requeridas para protección catódica de estructuras metálicas revestidas [12]. Tabla 4. Eficiencia del revestimiento [12]. Años de servicio de la instalación 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Deterioro del revestimiento (%) 1.01 1.16 1.32 1.51 1.73 1.98 2.27 2.60 2.97 3.40 3.89 4.45 5.09 5.82 6.66 7.63 8.73 9.99 11.43 13.07 14.96 81 Tabla 5. Potencial máximo entre la superficie recubierta y el electrolito [12]. Tabla 6. Propiedades de los conductores de cobre (Cableado Clase B, Cobre Blando) [12]. 82 Tabla 7. Datos meteorológicos. Área: Arecuna [16]. Temperatura Promedio Máximo: 32 (89,6°F) Ambiental Promedio Mínimo: 21 (69,8°F) (°C) Promedio: 27 (80,6°F) Humedad Relativa Promedio Máximo: 85 (%) Promedio Mínimo: 61 Velocidad Máxima 48,50 Viento (H =32,8ft) (44,2pie/s) (km/h) Velocidad Básica (COVENIN) 85 (77,46pie/s) Dirección Predominante: N-NE Promedio Anual: 1010(3,31 pie) Máxima Mensual: 204 (0,64 pie) Altura Máx. / 24 horas: 107 (0,35 pie) Precipitación (mm) Altura S.N.M. (m) 215 (705,38 pie) Zona Sísmica 4 Tabla 8. Datos meteorológicos. Área: Bare [16]. Temperatura Promedio Máximo: 32 (89,6°F) Ambiental Promedio Mínimo: 21 (69,8°F) (°C) Promedio: 27 (80,6°F) Humedad Relativa Promedio Máximo: 85 (%) Promedio Mínimo: 61 Veloc. Máxima (H =32,8ft) (km/h) 48,50 (44,2 pie/s) Viento (km/h) Precipitación (mm) Veloc. Básica (COVENIN) 85 (77,46pie/s) Dirección Predominante: N-NE Promedio Anual: 1010 (3,31 pie) Máxima Mensual: 204 (0,64 pie) Altura Máx. / 24 horas: 107 (0,35 pie) Altura S.N.M. (m) 185 (606,96 pie) Zona Sísmica 4 83 Tabla 9. Datos meteorológicos. Área: Melones [16]. Temperatura Promedio Máximo: 32 °C (89,6°F) Ambiental Promedio Mínimo: 21 °C (69,8°F) (°C) Promedio: 27 °C (80,6°F) Humedad Relativa Promedio Máximo: 85 (%) Promedio Mínimo: 61 Viento Veloc. Máxima (H =10m) 48,50 (44,20 pie/s) (km/h) Veloc. Básica (COVENIN) 85 (77,46 pie/s) Dirección Predominante: N-NE Promedio Anual: 1010 mm Precipitación (mm) (39,76 pulg) Máxima Mensual: 204 mm (8,03 pulg) Altura Máx. / 24 horas: 107 mm (4,21 pulg) Altura S.N.M. 182,70 m (599,41 pie) Zona Sísmica 4
