CP-1-Manual-Spanish

CP
Manual
delNIVEL
Curso
CP 1–Cathodic
Manual
Protection Tester
Julio 2008
© NACE International, 2000
Enero 2010
© NACE International, 2000
1
Agradecimientos
El tiempo y la experiencia de muchos miembros de NACE Internacional se han volcado
en el desarrollo de este curso. Los autores del curso y los que han colaborado para hacer
posible este trabajo agradecen su dedicación y esfuerzos.
La meta, objetivos pedagógicos y criterios de rendimiento de este Curso fueron
desarrollados por el Grupo de Trabajo Cathodic Protection Training and Certification
Program, bajo el auspicio del NACE Certification and Education Committee. Un
agradecimiento especial para los que se nombran a continuación.
En nombre de NACE queremos agradecer a los siguientes miembros, que han sido vitales
para el desarrollo y revisión de este programa:
Buddy Hutson
Steve Bean
Joe C. Bowles, Jr.
Raul Castillo
David Edwards
Gerry Garleiser
Kevin Garrity
Robert Gummow
Brad J. Lewis
Thomas H. Lewis
Ed Ondak
Larry Rankin
John Schmidt
David A. Schramm
William H. Thomason
Florida Gas Transmission Company;Maitland, Florida
Southern California Gas Company, Los Angeles, California
Tellepsen Gas Pipeline Services, Houston, Texas
Dow Chemical, Freeport, Texas
Santa Fe Pipelines, Rocklin, California
Exxon Co. USA, Houston, Texas
CC Technologies, Dublin, Ohio
CorrEng Consulting Service Inc., Downsview, Ontario
Kinder Morgan Energy Partners L.P., Tucson, Arizona
LORESCO, Inc., Hattiesburg, MS
US DOT Office of Pipeline Safety, Littleton, Colorado
Corrpro Companies Inc., Houston, Texas
Duke Energy, Houston, Texas
Northern Illinois Gas Company, Naperville, Illinois
Conoco, Inc. Ponca City, Oklahoma
Este grupo de miembros de NACE ha prestado su estrecha colaboración a los
responsables de la elaboración del Curso, que fueron John Fitzgerald, John Wagner, y
Walter Young de Corrpro Cos. Inc. Gran parte del material de los cursos fue extraído y
depurado a través del tiempo por miembros entre los que se incluyen: Robert A.
Gummow, (CorrEng, Downsview, Ontario), James R. Myers (JRM Associates, Franklin,
Ohio), Frank Rizzo (FERA Corporation, Houston, Texas), Marilyn Lewis, P.E. (Lewis
Engineering, Hattiesburg, MS), Larry Brandon (CorPre Tek, Inc., Hubbardston, MI) y
James F. Jenkins, P.E. (Cambria, California).
IMPORTANTE
Ni NACE Internacional, ni sus autoridades, directores o miembros aceptan
responsabilidad alguna por el uso de los métodos y materiales aquí discutidos. El uso de
materiales patentados y copyright no conlleva autorización alguna. La información tiene
el fin de asesorar solamente. El uso de métodos y materiales queda bajo la exclusiva
responsabilidad del usuario.
La traducción de este Curso al idioma español ha sido autorizada por NACE
Internacional.
Traducción: María José Albaya.
Supervisión: Ing. Héctor C. Albaya, NACE Argentina
Buenos Aires, Revisado Enero 2009
Todos los derechos quedan reservados. Queda prohibida la reproducción total o parcial
de este documento, por cualquier medio, sin la expresa autorización del propietario del
copyright.
FUNDAMENTOS ELECTRICIDAD –
Ley de Ohm
Autor: Buddy Hutson, Enron Corp.
Esta información pretende ayudar a los estudiantes del Programa de Capacitación y Certificación en
Protección Catódica de NACE antes de asistir al curso. Otros estudiantes también pueden encontrar útil
esta información como punto de partida para comprender los principios fundamentales que subyacen a la
tecnología de la protección catódica.
Cuando usted asista al Curso de NACE de Cathodic Protection Tester, una de las primeras cosas que le
enseñarán es electricidad básica. Ya sea usted electricista o técnico en electricidad, o trabaje en control
de corrosión, deberá tener un buen conocimiento práctico de los fundamentos básicos de la electricidad.
Una de las cosas que hemos aprendido luego de varios años de dictar los cursos de protección catódica,
es que muchos estudiantes tienen problemas con el aspecto matemático de algunos principios eléctricos.
Es por esto que hemos elaborado una pequeña introducción que lo ayudará a estar mejor preparado al
momento de iniciar el curso. Por favor, lea lo que sigue con atención antes de empezar con el curso.
Todos estos conceptos serán explicados al inicio del curso; aún así, los estudiantes pueden tener
dificultades para comprender algunas prácticas de la protección catódica si no están familiarizados con
estos principios fundamentales.
Uno de los conceptos más básicos de los fundamentos de la electricidad tiene que ver con la Ley de
Ohm. En 1828, George Simon Ohm hizo algunos descubrimientos en relación con el voltaje, la corriente
y la resistencia. Antes de entrar de lleno en estos descubrimientos, que dieron lugar a la “Ley de Ohm”,
echemos un vistazo a los elementos involucrados. ¿Dónde podemos encontrar voltaje, corriente y
resistencia? En su auto, su aparato de TV, su linterna, incluso en su marcapasos. Siempre que haya un
circuito eléctrico activo, estos elementos básicos estarán allí. Para asegurarnos de que todos sabemos
de qué estamos hablando, definamos los tres elementos de la Ley de Ohm. Tenga en cuenta que,
durante el curso, se ampliarán las explicaciones acerca de estos conceptos. En aras de la simplicidad,
hablaremos aquí de Corriente Continua (DC – Direct Current). Durante el curso, hablaremos también de
la Corriente Alterna (AC – Alternating Current). Recuerde que las baterías funcionan con corriente
continua, y que la energía del enchufe de su casa funciona con corriente alterna.
VOLTAJE
El voltaje puede definirse como una diferencia de potencial. El potencial se refiere a la posibilidad de
realizar un trabajo. Cuando usamos un voltímetro para medir de un lado a otro de los terminales de una
batería, estamos midiendo la diferencia de potencial entre uno y otro terminal. Podemos llamar al voltaje
fuerza electromotriz, indicando su capacidad de realizar el trabajo de forzar a los electrones a moverse.
El símbolo del voltaje es la letra E, y esto proviene del término “fuerza electromotriz” (electromotive
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force). La unidad de medición del voltaje es el “Voltio”. En un sistema de gas, el voltaje es comparable a
la presión. El gas fluye por una cañería como resultado de la presión del sistema.
Voltaje
Unidad de
medición
Símbolo
Comparable con
Diferencia de potencial, fuerza electromotriz, capacidad de
realizar trabajo
Voltio
E o V (Este símbolo se usará en la formulación de la Ley de
Ohm)
La presión en un sistema de gas o de líquido
CORRIENTE
La corriente puede definirse como el flujo de electrones. Cuando la diferencia de potencial entre dos
cargas fuerza a una tercera carga a moverse, la carga en movimiento es una corriente eléctrica. Para
producir corriente, la carga debe ser movida por una diferencia de potencial. La unidad de medición de la
corriente es el “Amperio”. Generalmente, decimos simplemente Amp. El símbolo de la corriente es la
letra I. Esto proviene del término “Intensidad”, ya que la corriente es una medida de cuán intenso o
concentrado es el flujo de electrones. En un sistema de gas, la corriente es comparable al flujo del gas.
La presión hace que el gas fluya por el tubo; de la misma manera, el voltaje hace que los electrones
fluyan en un circuito eléctrico.
Corriente
Flujo de electrones
Unidad de
medición
Amperio
Símbolo
I (Este símbolo se usará en la formulación de la Ley de
Ohm)
Comparable con
El flujo de gas o líquido en una tubería
RESISTENCIA
La resistencia puede definirse como aquello que se opone al flujo de la corriente. Según la estructura
atómica de un material, éste puede clasificarse como conductor, semi-conductor o aislante. Esta
clasificación está determinada por la cantidad de electrones libres disponibles para permitir el flujo de
corriente al aplicarse una diferencia de potencial a través del material. Los conductores tienen muchos
electrones libres, por lo que la corriente fluye con facilidad. Los semi-conductores tienen menos
electrones libres y oponen más resistencia al flujo de la corriente. Los aislantes tienen muy pocos
electrones libres y oponen una enorme oposición al flujo de la corriente. Es decir, un excelente aislante
no permite el flujo de corriente. La unidad de la resistencia es el “Ohmio” (sospecho que George Simon
Ohm deseaba ser recordado). El símbolo del Ohmio es la letra R, que proviene de la palabra
“resistencia”. También se usa la letra griega (Ω ). En un una tubería de gas o líquido, la resistencia puede
compararse con una placa orificio o bien con la limitación del flujo dada por el propio diámetro interno del
tubo.
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7/2008
Resistencia
Oposición al flujo de la corriente
Unidad de
medición
Ohmio, muchas veces representado por la letra griega
Omega (Ω)
Símbolo
R (Este símbolo se usará en la formulación de la Ley de
Ohm)
Comparable con
Placa orificio o limitación dada por el diámetro interno del
tubo
Deténgase a responder algunas preguntas sin mirar el texto precedente. Si no puede responderlas,
sugiero que vuelva a leer el material antes de continuar.
1. El voltaje puede definirse como:
A. Fuerza electrodinámica
B. Fuerza electropotencial
C. Fuerza electroquímica
D. Fuerza electromotriz
2. La corriente es
A. La acumulación de electrones
B. El flujo de electrones
C. La división de electrones
D. El paso de electrones
3. La resistencia es ___________ de/al flujo de la corriente.
A. El opuesto
B. La oposición
C. El resultado
D. Lo inverso
4. El voltaje es comparable con __________ en un sistema de gas.
A. El flujo del gas
B. La restricción del flujo de gas
C. La presión
D. Una placa orificio
5. La corriente es comparable con ________ en una tubería de líquidos.
A. Una placa orificio
B. El flujo del producto
C. La presión que impulsa al producto
D. La fricción con la pared interna del tubo
6. La resistencia es comparable con ___________ en un sistema de gas o de líquidos.
A. La acumulación de la presión
B. El flujo del producto
C. Una placa orificio
D. El diámetro externo del tubo
Espero que haya respondido 1. (D), 2. (B), 3. (B), 4. (C), 5. (B), 6. (C)
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LEY DE OHM
Ahora que hemos definido los elementos de la “Ley de Ohm”, veamos los descubrimientos que realizó
George en 1828. Descubrió que, en un circuito simple como el de la Figura 1, cuando el voltaje se
mantiene constante, la corriente y la resistencia varían en forma inversa. Esto significa que cuando la
corriente del circuito aumenta, el valor de la resistencia disminuye. La Figura 2 muestra esta relación.
(I) Corriente
(Amperímetro)
A
(E)
Voltaje
(Batería)
(R)
Resistencia
Figura 1. Circuito Eléctrico Simple
Si una SUBE, la otra BAJA
Corriente
Resistencia
El voltaje es constante
Si una BAJA, la otra SUBE
Corriente
Resistencia
El voltaje es constante
Figura 2. Relación entre Corriente y Resistencia
A continuación, George observó que cuando la Resistencia se mantiene constante, los valores del
Voltaje y la Corriente son directamente proporcionales. Esto significa simplemente que si uno
aumenta, la otra disminuye; y si uno disminuye, la otra aumenta, en las mismas proporciones. La Figura
3 muestra esta relación.
Si aumenta una, la otra sube proporcionalmente
Voltaje
Current
La resistencia es constante
Si disminuye una, la otra baja proporcionalmente
Voltaje
La resistencia es constante
Figura 3. Relación entre la Corriente y el Voltaje
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Corriente
Luego estableció el hecho de que estas relaciones jamás cambian, por lo que pueden expresarse
matemáticamente. Así, la Ley de Ohm se convirtió en la fórmula: E = IR o El voltaje es igual a la
Corriente multiplicada por la Resistencia. Veamos si esta relación es verdadera con valores
concretos. Si tenemos una corriente de 2 amperios y una resistencia de 10 ohmios, veremos que E = 2 x
10, o un Voltaje igual a 20 voltios. Si usáramos sólo la mitad de la corriente (1 Amp), el voltaje sería E = 1
x 10 o 10 voltios, también la mitad de su primer valor. Esto demuestra el segundo aspecto: el voltaje y la
corriente son directamente proporcionales, ya que cuando la corriente se redujo en un 50%, el voltaje
también se redujo en un 50%.
A continuación muestro algunas de las figuras que uso para enseñar la Ley de Ohm. Lo ayudarán a
entender cómo, con un poco de álgebra, puede manipularse la fórmula original para calcular la corriente
y la resistencia.
Hay un modo sencillo de recordar la fórmula de la Ley de Ohm. Se llama Círculo Mágico, o también a
veces, Triángulo Mágico.
Simplemente tape el símbolo del factor que quiere calcular, y la posición de los dos símbolos restantes le
revelará la fórmula para calcularlo.
Ayuda-memoria
Magic
Circle
Memory Aid
Círculo
Mágico
E
E
I
R
I
Ó
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R
Formulaciones de la Ley de Ohm
OBTENER EL VOLTAJE
Círculo Mágico
Tape la V para ver la relación matemática
entre el Voltaje y la Corriente
Fórmula de la Ley de Ohm para
obtener el Voltaje
(E)
Voltaje =
I
X
R
(I)
(R)
Corriente x Resistencia
En otras palabras, para obtener el
Voltaje
Multiplique la Corriente por la
Resistencia.
E =I × R
OBTENER LA CORRIENTE
Círculo Mágico
Tape la I para ver la relación matemática
entre el Voltaje y la Resistencia
E
÷
R
Fórmula de la Ley de Ohm para
obtener la Corriente
(I)
(E)
Corriente= = Voltaje
(R)
Resistencia
En otras palabras, para obtener la
Corriente
Divida el Voltaje por la Resistencia.
I=
E
R
OBTENER LA RESISTENCIA
Círculo Mágico
Tape la R para ver la relación matemática
entre el Voltaje y la Corriente
÷
I
E
Fórmula de la Ley de Ohm para
obtener la Resistencia
(R)
Resistencia =
(E)
Voltaje
(I)
Corriente
En otras palabras, para obtener la
Resistencia
Divida el Voltaje por la Corriente.
R=
E
I
ó
I=
Acerca de la Ley de Ohm, es importante tener en cuenta que, para obtener un valor desconocido, usted
debe conocer los otros dos. Es matemáticamente imposible resolverla sin al menos dos valores.
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E
R
Con esto terminamos nuestra breve introducción a la Ley de Ohm. his completes this short introduction to
Ohm’s Law. ¡Nos vemos en clase!
P.S. Si necesita más información y no tiene planeado asistir al próximo curso CP 1–Cathodic Protection
Tester de NACE, a continuación le damos algunas otras opciones para aprender más acerca de la
protección catódica:
1.
2.
3.
4.
5.
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Para principiantes en la PC, recomiendo el libro Pipeline Corrosion and Cathodic Protection de
Peabody. Está disponible en la NACE Store en el sitio web de NACE
http://www.nace.org/nace/index.asp. Este libro de referencia se entrega a los estudiantes del
curso NACE CP 1–Cathodic Protection Tester.
NACE tiene tutoriales de Protección Catódica de 1 y 2 días, auspiciados por NACE Areas and
Sections. Para más información acerca de los tutoriales de PC, por favor envíe un e-mail a
[email protected].
Si usted tiene una pregunta técnica acerca de la PC, recuerde que puede usar el servicio de la
Red de Corrosión de NACE (NACE Corrosion Network list serve) para efectuar preguntas
técnicas. http://www.nace.org/nace/content/discussion/NcnCorrosion.asp
Si usted tiene una pregunta acerca del Programa de Capacitación y Certificación en Protección
Catódica de NACE (NACE Cathodic Protection Training and Certification program), por favor
envíe un e-mail a [email protected] o visite la sección de Education/Certification del sitio web
de NACE.
A continuación, algunos otros excelentes programas que enseñan la tecnología de la protección
catódica:
‰ Kilgore College (Kilgore, Texas) ofrece un programa de grado de 2 años en teconología de la
corrosión, con cursos semestrales dedicados a la tecnología de la protección catódica.
(Visite http://www.kilgore.edu/corrosion.asp )
‰ El Appalachian Underground Corrosion Short Course (AUCSC) es un evento anual, de una
semana de duración, que ofrece seminarios y otras presentaciones sobre protección
catódica. (Visite http://www.aucsc.com/)
‰ La Universidad de Oklahoma también auspicia un curso corto en conjunto con varias
secciones de NACE: visite http://www.occe.ou.edu/engr/corrosion/.
AUTOEVALUACIÓN DE MATEMÁTICA
BÁSICA
Los cursos CP 1–Cathodic Protection Tester y CP 2–Cathodic Protection Technician requieren el uso de
habilidades matemáticas básicas: suma, resta, división, fracciones, álgebra, ecuaciones, conversión de
unidades, porcentajes y gráficos. Esta evaluación está pensada para ayudar a los estudiantes de los
cursos CP 1–Cathodic Protection Tester y CP 2–Cathodic Protection Technician a determinar su
familiaridad con los conceptos matemáticos usados en estos cursos.
Las preguntas deben resolverse sin el uso de la calculadora.
Resuelva los siguientes problemas. Escriba su respuesta en el espacio suministrado.
1.
Escriba su respuesta en forma exponencial. (8 x 8 x 8) = ___________
2.
Resuelva. 32 y 33 =
3.
Resuelva:
___________
a. 147 = ___________
4.
5.
b. 22 =
___________
c. 73 =
___________
Escriba cada fracción en forma decimal.
a.
81
= ___________
100
b.
3
= ___________
10
c.
37
= ___________
50
Escriba cada decimal en forma de fracción.
a. 0.4 = ___________
© NACE International, 2003
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b. 0.1 = ___________
6.
Resuelva cada uno de los siguientes problemas con fracciones. Reduzca la
fracción a su mínima expresión.
7.
8.
a.
15 50
+
= __________ _
10 50
b.
35 21
+
= __________ _
110 12
c.
36 20
−
= __________ _
78 78
d.
2 2
×
5 5
= ___________
e.
4 3
×
7 4
= __________ _
f.
4 1
×
8 2
= __________ _
g.
10 10
÷
30 50
= __________ _
Despeje “x” en las siguientes ecuaciones.
a. x + 3 = 5
x = ___________
b. –6 + x = 9
x = ___________
c. 10x = 130
x = ___________
Convierta a las unidades indicadas
a. 200 milivoltios
=
___________Voltios
b. 0.03 Voltios
=
___________milivoltios
c. 1,000 Amperios
=
___________kiloamperio
d. 0.5 Amperios
=
___________miliamperios
e. 0.7 megaOhmios
=
___________Ohmios
© NACE International, 2003
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9.
Use la Ley de Ohm para responder a las siguientes preguntas.
a. Dado un circuito eléctrico con un potencial impulsor de 12 Voltios y una
resistencia de 10 Ohmios, ¿cuánta corriente produce el circuito?
b. Un circuito de corrosión produce 2 Amperios de corriente a un potencial
impulsor de 1.6 Voltios, ¿cuál es la resistencia de este circuito?
10.
Use la Ley de Ohm para responder a las siguientes preguntas.
a.
Dato: Un shunt de 5 A/50 mV tiene una caída de potencial de 12 mV.
Responda: ¿Cuál es la cantidad de corriente en este circuito?
b.
Dato: Un shunt de 30 A/50 mV tiene una caída de potencial de 10 mV.
Responda: ¿Cuál es la cantidad de corriente en este circuito?
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AUTOEVALUACIÓN DE MATEMÁTICA
BÁSICA - SOLUCIONES
1.
(8 x 8 x 8) = 83
2.
32 y 33 =
243
3.
a. 147 = 1
b. 22 =
4
c. 73 =
343
4.
a.
81
= .81
100
b.
3
= 0.3
10
c.
37
= 0.74
50
5.
2
5
1
b. 0.1 = 10
a. 0.4 =
6.
a.
1
15 50
=2
+
2
10 50
b.
3
35 21
=2
+
44
110 12
c.
36 20
8
−
=
78 78 39
© NACE International, 2003
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d.
2 2
4
× =
5 5 25
e.
4 3 3
× =
7 4 7
f.
4 1 1
× =
8 2 4
g.
10 10
2
÷
=1
30 50
3
7.
a. x + 3 = 5
x= 2
b. –6 + x = 9
x = 15
c. 10x = 130
x = 13
8.
a. 200 milivoltios
=
0.2 Voltios
b. 0.03 Voltios
=
30 milivoltios
c. 1,000 Amperios
=
1 kiloamperio
d. 0.5 amperios
=
500 miliamperios
e. 0.7 megaOhmios
=
700,000 Ohmios
9.
a. Dado un circuito eléctrico con un potencial impulsor de 12 Voltios y una
resistencia de 10 Ohmios, ¿cuánta corriente produce el circuito?
1.2 Amperios
a. Un circuito de corrosión produce 2 Amperios de corriente a un potencial
impulsor de 1.6 Voltios, ¿cuál es la resistencia de este circuito?
0.8 Ohmios
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10.
Cálculos con Shunts
a. Dato: Un shunt de 5 A/50 mV tiene una caída de potencial de 12 mV.
Responda: ¿Cuál es la cantidad de corriente en este circuito?
5A
× 12 mV = 1.2 A
50 mV
c.
Dato: Un shunt de 30 A/50 mV tiene una caída de potencial de 10 mV.
Responda: ¿Cuál es la cantidad de corriente en este circuito?
30 A
× 10 mV = 6 A
50 mV
© NACE International, 2003
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MANUAL DEL CURSO
CP 1 – CATHODIC PROTECTION
TESTER
TABLA DE CONTENIDOS
Información General
Plan del Curso
Introducción
Solicitud de Inscripción para el Curso CP1 – Cathodic
Protection Tester
Sección 1
Capítulo 1 - Electricidad Básica
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1
TÉRMINOS ELÉCTRICOS ................................................................................................ 1
ELECTRONES ........................................................................................................... 1
VOLTAJE .................................................................................................................. 1
CORRIENTE .............................................................................................................. 2
RESISTENCIA Y RESISTIVIDAD ................................................................................... 3
SÍMBOLOS ELÉCTRICOS ............................................................................................ 6
CIRCUITO ELÉCTRICO ................................................................................................... 8
LEYES ELÉCTRICAS ...................................................................................................... 8
LEY DE OHM ............................................................................................................. 8
POTENCIA .............................................................................................................. 10
LEYES DE KIRCHHOFF ............................................................................................. 11
CIRCUITO EN SERIE ................................................................................................ 12
CIRCUITO EN PARALELO ......................................................................................... 14
CIRCUITO SERIE-PARALELO .................................................................................... 17
CORRIENTE CONTINUA (DC) ................................................................................... 19
CORRIENTE ALTERNA (AC) ..................................................................................... 19
FUNCIONAMIENTO DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN.............................................. 21
GENERAL ............................................................................................................... 21
INSTRUMENTOS ANALÓGICOS ................................................................................. 22
INSTRUMENTOS DIGITALES ..................................................................................... 25
EJERCICIO 1.1: LEY DE OHM ...................................................................................... 27
EJERCICIO 1.2: CIRCUITO EN SERIE ............................................................................ 28
EJERCICIO 1.3: CIRCUITO EN PARALELO ...................................................................... 29
EJERCICIO 1.4: TABLERO DE RESISTENCIAS E INSTRUMENTO DE LABORATORIO............ 31
PLANILLA DE DATOS ............................................................................................ 1
January 2010
I
Capítulo 1 - Apéndices
Apéndice 1 – Instrucciones para la Sustitución
Apéndice 2 – Código de Colores de Resistencias
Sección 2
Capítulo 2 - Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
FUNDAMENTOS QUÍMICOS............................................................................................. 1
ELEMENTOS ............................................................................................................. 1
COMPUESTOS (MOLÉCULAS)..................................................................................... 2
ACIDEZ Y ALCALINIDAD (PH)...................................................................................... 3
ELECTROQUÍMICA BÁSICA ............................................................................................. 5
OXIDACIÓN Y REDUCCIÓN ......................................................................................... 6
CIRCUITOS ELECTROQUÍMICOS ................................................................................. 8
CELDA DE CORROSIÓN ................................................................................................. 9
REACCIONES ANÓDICAS ........................................................................................... 9
REACCIONES CATÓDICAS ....................................................................................... 10
USO DE VOLTÍMETROS ............................................................................................ 12
ELECTRODOS DE REFERENCIA (HEMI-PILAS O HEMI-CELDAS) .................................. 15
FUERZA IMPULSORA DE LA CORROSIÓN................................................................... 19
VELOCIDAD DE CORROSIÓN ........................................................................................ 20
LEY DE FARADAY .................................................................................................... 20
POLARIZACIÓN ....................................................................................................... 21
RELACIÓN ÁNODO/CÁTODO .................................................................................... 22
INFLUENCIA DEL MEDIO ........................................................................................... 23
CAUSAS DE LA CORROSIÓN......................................................................................... 24
GENERAL ............................................................................................................... 24
CORROSIÓN ESPONTÁNEA ...................................................................................... 25
EXPERIMENTO 2.1– POTENCIALES DE ELECTRODOS METÁLICOS EN AGUA CORRIENTE
.............................................................................................................................. 29
RESULTADOS ......................................................................................................... 30
CONCLUSIONES ...................................................................................................... 30
EXPERIMENTO 2.2–CELDA DE CORROSIÓN.............................................................. 31
CONCLUSIONES ...................................................................................................... 38
EXPERIMENTO 2.3. SENTIDO DE LA CORRIENTE EN EL ELECTROLITO EN LAS CELDAS
DE CORROSIÓN ...................................................................................................... 39
Capítulo 2 - Apéndices
Mantenimiento de la Celda de Referencia
Apéndice 2 - Conversiones y Definiciones
Sección 3
Capítulo 3 - Control de Corrosión en Estructuras Enterradas
SELECCIÓN DE MATERIALES ......................................................................................... 1
REVESTIMIENTOS PROTECTORES .................................................................................. 1
ESTRUCTURAS ENTERRADAS O SUMERGIDAS ............................................................ 1
TIPOS DE REVESTIMIENTOS PARA ESTRUCTURAS ENTERRADAS APLICADOS EN
FÁBRICA ................................................................................................................... 2
UNIONES SOLDADAS Y OTROS REVESTIMIENTOS DE CAMPO ...................................... 3
January 2010
II
AISLACIÓN ELÉCTRICA .................................................................................................. 4
CONTROL AMBIENTAL ................................................................................................... 5
INHIBIDORES............................................................................................................. 5
AJUSTE DEL PH ........................................................................................................ 5
MANTENIMIENTO DEL CONTROL AMBIENTAL .............................................................. 5
PROTECCIÓN CATÓDICA ............................................................................................... 7
TEORÍA .................................................................................................................... 7
DEFINICIÓN .............................................................................................................. 8
ESTRUCTURAS QUE PUEDEN PROTEGERSE CON PROTECCIÓN CATÓDICA ...................... 9
SISTEMAS DE ÁNODOS GALVÁNICOS ....................................................................... 10
ÁNODOS ................................................................................................................. 10
COMPONENTES DE LOS SISTEMAS GALVÁNICOS ...................................................... 13
ÁNODOS ................................................................................................................. 13
ESPECIFICACIONES PARA SISTEMAS DE ÁNODOS GALVÁNICOS ................................ 15
SISTEMAS POR CORRIENTE IMPRESA .......................................................................... 16
FUENTES DE ENERGÍA ............................................................................................ 17
LIMITACIONES DE LOS SISTEMAS POR CORRIENTE IMPRESA ..................................... 18
COMPONENTES DE LOS SISTEMAS POR CORRIENTE IMPRESA................................... 18
RELLENO (BACKFILL) .............................................................................................. 21
FUENTES DE ENERGÍA ............................................................................................ 21
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL FUNCIONAMIENTO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA ....... 25
CONTENIDO DE HUMEDAD EN EL SUELO .................................................................. 25
REVESTIMIENTO ..................................................................................................... 25
TEXTURA DEL SUELO .............................................................................................. 25
TEMPERATURA ....................................................................................................... 26
CONTENIDO DE OXÍGENO ........................................................................................ 26
MOVIMIENTO DE ESTRUCTURA Y ELECTROLITO ........................................................ 26
COMPOSICIÓN DEL ELECTROLITO ............................................................................ 27
PANTALLA ELÉCTRICA............................................................................................. 27
CRITERIOS DE PROTECCIÓN CATÓDICA ....................................................................... 29
CRITERIOS RECOMENDADOS POR NACE INTERNATIONAL ........................................ 29
NORMA ISO 15589-1 ............................................................................................. 36
EXPERIMENTO 3.1–DEMOSTRACIÓN DEL USO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA PARA
MITIGAR LA CORROSIÓN POR EFECTO DE CELDAS DE ACCIÓN LOCAL (CELDAS
GALVÁNICAS) ......................................................................................................... 38
EXPERIMENTO 3.2–DEMOSTRAR EL CAMBIO EN EL POTENCIAL DE POLARIZACIÓN EN
FUNCIÓN DEL TIEMPO ............................................................................................. 42
Sección 4
Capítulo 4 - Seguridad
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1
ELECTRICIDAD .............................................................................................................. 3
EQUIPOS ELÉCTRICOS (RECTIFICADORES) ................................................................ 3
CANCELAR/ROTULAR (LOCK OUT/TAG OUT) .............................................................. 5
ZONAS DE RIESGO ELÉCTRICO.................................................................................. 6
EXPLOSIONES O IGNICIONES ..................................................................................... 6
RELEVAMIENTOS DE PROTECCIÓN CATÓDICA ............................................................ 7
TENSIÓN INDUCIDA ................................................................................................... 8
EXCAVACIONES ............................................................................................................ 9
MATERIALES PELIGROSOS .......................................................................................... 10
PLANILLAS DE DATOS DE SEGURIDAD PARA EL MANIPULEO DE MATERIALES (MATERIAL
SAFETY DATA SHEET - MSDS) ............................................................................... 10
PRODUCTOS DE REACCIÓN ..................................................................................... 11
January 2010
III
OTRAS PRECAUCIONES .............................................................................................. 11
Sección 5
Capítulo 5 - Mediciones de Campo
ELECTRODOS DE REFERENCIA PORTÁTILES .................................................................. 1
APLICACIONES COMUNES ............................................................................................. 3
MEDICIÓN DE LA CORRIENTE ......................................................................................... 8
USO DEL AMPERÍMETRO ........................................................................................... 8
PINZAS AMPEROMÉTRICAS (CLAMP-ON AMMETERS) ................................................ 10
SHUNTS ................................................................................................................. 11
APLICACIONES COMUNES ....................................................................................... 14
MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA .................................................................................... 21
MEDICIONES COMUNES .......................................................................................... 21
USANDO LA LEY DE OHM......................................................................................... 21
USANDO UN ÓHMETRO ........................................................................................... 21
CONTINUIDAD ELÉCTRICA ........................................................................................... 22
AISLACIÓN ELÉCTRICA ................................................................................................ 23
PROPÓSITO Y USOS ............................................................................................... 23
JUNTAS AISLANTES ................................................................................................. 24
CONTACTOS ACCIDENTALES ................................................................................... 24
MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA ENTRE UN TUBO Y UN ENCAMISADO .......................... 25
MEDICIÓN DE LA CONTINUIDAD DE LA ESTRUCTURA ................................................. 25
CIRCUITO PARA VERIFICACIÓN DE DIODOS .................................................................. 25
MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL ELECTROLITO ....................................................... 26
MÉTODO DE CUATRO PUNTAS DE WENNER ............................................................. 26
CAJA DE SUELOS .................................................................................................... 28
SONDA DE RESISTIVIDAD ........................................................................................ 28
MEDICIÓN DEL PH ....................................................................................................... 29
USO DE DISPOSITIVOS PARA LOCALIZAR TUBERÍAS ...................................................... 30
OPERACIÓN POR CONDUCCIÓN ............................................................................... 30
INDUCTIVOS............................................................................................................ 31
USO DE INTERRUPTORES DE CORRIENTE .................................................................... 32
MEDICIONES CON CUPONES ....................................................................................... 33
Sección 6
Capítulo 6 - Interferencia por Corrientes Vagabundas
DEFINICIONES .............................................................................................................. 1
EFECTOS ..................................................................................................................... 1
FUENTES ...................................................................................................................... 1
TIPOS DE CORRIENTES VAGABUNDAS ........................................................................... 3
CORRIENTES VAGABUNDAS DINÁMICAS ..................................................................... 3
CORRIENTES VAGABUNDAS DE ESTADO ESTACIONARIO ............................................. 4
IDENTIFICACIÓN DE LAS CORRIENTES VAGABUNDAS ...................................................... 4
CORRIENTES VAGABUNDAS DINÁMICAS ..................................................................... 4
CORRIENTES VAGABUNDAS DE ESTADO ESTACIONARIO ............................................. 5
CONTROL DE LA CORROSIÓN POR CORRIENTES VAGABUNDAS ....................................... 7
UNIONES MITIGANTES (MITIGATION BONDS) .............................................................. 7
MITIGACIÓN CON PROTECCIÓN CATÓDICA ................................................................. 9
EXPERIMENTO 6.1 — DEMOSTRACIÓN DE LA INTERFERENCIA CATÓDICA .................. 10
January 2010
IV
Sección 7
Capítulo 7 - Monitoreo de la Efectividad de la Protección
Catódica y Almacenamiento de Registros
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1
RAZONES PARA EL MONITOREO .................................................................................... 1
EXIGENCIAS DE MONITOREO ......................................................................................... 2
MONITOREO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA .................................................................. 2
ALMACENAMIENTO DE REGISTROS ................................................................................ 4
IMPORTANCIA DE LLEVAR BUENOS REGISTROS.............................................................. 4
TÉCNICA................................................................................................................... 4
LEGAL ...................................................................................................................... 4
PLANILLAS DE DATOS ................................................................................................... 4
FECHA, HORA Y CLIMA .............................................................................................. 5
ESQUEMAS O CROQUIS ............................................................................................. 5
CONDICIONES DEL SITIO ........................................................................................... 5
LEGIBILIDAD ............................................................................................................. 5
REGISTROS ELECTRÓNICOS Y PLANILLAS DE CÁLCULO .................................................. 5
PLANOS DE INSTALACIÓN Y DOCUMENTOS DE OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS DE
CONTROL DE LA CORROSIÓN ........................................................................................ 6
Sección 8
Capítulo 8 - Instalación de los Componentes de Sistemas de
Protección Catódica
ESTACIONES DE MEDICIÓN ........................................................................................... 1
GENERAL ................................................................................................................. 1
UBICACIÓN ............................................................................................................... 1
FACTORES AMBIENTALES.......................................................................................... 2
RECOMENDACIONES PARA LA INSTALACIÓN ............................................................... 2
TIPOS DE ESTACIONES DE MEDICIÓN......................................................................... 3
CUPONES ............................................................................................................... 10
CONEXIÓN DE LOS CABLES ..................................................................................... 12
ÁNODOS GALVÁNICOS (DE SACRIFICIO) ....................................................................... 15
GENERAL ............................................................................................................... 15
ÁNODOS PRE-EMPAQUETADOS ............................................................................... 15
ÁNODOS SIN PRE-EMPAQUETADO............................................................................ 17
ÁNODOS TIPO CINTA .............................................................................................. 17
ÁNODOS EN FORMA DE BRAZALETE ......................................................................... 17
ÁNODOS OFFSHORE ............................................................................................... 18
DISPERSORES DE CORRIENTE IMPRESA ...................................................................... 19
GENERAL ............................................................................................................... 19
MANIPULEO E INSPECCIÓN DE ÁNODOS Y CABLES ................................................... 20
DISPERSORES SUPERFICIALES ................................................................................ 22
ÁNODO PROFUNDO................................................................................................. 26
CIRCUITO NEGATIVO ............................................................................................... 28
INSTALACIÓN DE RECTIFICADORES U OTRAS FUENTES................................................. 29
GENERAL ............................................................................................................... 29
RECTIFICADORES ................................................................................................... 30
SALIDA DE CORRIENTE CONTINUA ........................................................................... 30
January 2010
V
Sección 9
Capítulo 9 - Resolución de Problemas
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1
AISLACIÓN ELÉCTRICA .................................................................................................. 1
GENERAL ................................................................................................................. 1
CORTOS EN LAS JUNTAS AISLANTES ......................................................................... 1
CONTACTOS CON ENCAMISADOS (CASINGS) .............................................................. 6
NIVELES DE PROTECCIÓN CATÓDICA ............................................................................. 9
FUNCIONAMIENTO DEFECTUOSO DE DISPERSORES ..................................................... 10
DISPERSORES DE CORRIENTE IMPRESA Y GALVÁNICOS ........................................... 10
RECTIFICADORES ....................................................................................................... 12
MANTENIMIENTO DE RUTINA ................................................................................... 12
PROBLEMAS DE DRENAJE ....................................................................................... 13
Sección 10
Apéndices
Glosario de Términos
Ansuini, Frank J., James R. Dimond, “Factors Affecting the Accuracy of
Reference Electrodes”, MP, 33, 11 (1994): pp. 14-17.
SP0169 “Control of External Corrosion on Underground or Submerged
Metallic Piping Systems”
RP0285 “Corrosion Control of Underground Storage Tank Systems by
Cathodic Protection”
SP0176 “Corrosion Control of Submerged Areas of Permanently Installed Steel
Offshore Structures Associated with Petroleum Production”
SP0388 “Impressed Current Cathodic Protection of Internal Submerged
Surfaces of Steel Water Storage Tanks”
SP0177 “Mitigation of Alternating Current and Lightning Effects on Metallic
Structures and Corrosion Control Systems”
SP0575 “Internal Cathodic Protection (CP) Systems in Oil-Treating Vessels”
RP0193 “External Cathodic Protection of On-Grade Metallic Storage Tank
Bottoms”
RP0196 “Galvanic Anode Cathodic Protection of Internal Submerged Surfaces
of Steel Water Storage Tanks”
SP0290 “Impressed Current Cathodic Protection of Reinforcing Steel in
Atmospherically Exposed Concrete Structures”
January 2010
VI
SP0200 “Steel Cased Pipeline Practices”
TM0497 “Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection
on Underground or Submerged Metallic Piping Systems”
TM0101 “Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection
on Underground or Submerged Metallic Storage Tanks”
Sección 11
Trabajos Prácticos
Hoja de Referencias para el Examen - CP Tester
January 2010
VII
Instrucciones para Completar la Planilla de Puntaje/Planilla de Matriculación de Estudiante
ParSCORETM
1. Use un lápiz Número 2
2. Complete toda la información siguiente y los círculos correspondientes para cada categoría:
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
Número de ID.
TELÉFONO:
ID de Estudiante, ID de NACE o ID Temporal que fue provisto.
Su número telefónico. Los últimos cuatro dígitos de este número serán
su contraseña para acceder a sus calificaciones vía internet. (por
precaución as su privacidad, usted puede elegir cuatro dígitos
diferentes para usar en este espacio)
APELLIDO:
Su apellido.
NOMBRE:
Su nombre (nombre por el cual lo(a) llaman)
I.M.:
Inicial media (si la tiene)
FORM. EXAMEN:
Ésta es la versión del examen que está presentando
TEMA:
Ésta es la versión del examen que está presentando
NOMBRE: _________________(su nombre completo)
Materia: _____________(ingrese el tipo de examen que está presentando, por ej., CP Nivel 1)
FECHA: ___________________(fecha del examen que está presentando)
3. La siguiente sección del formulario (1 a 200) es para las respuestas a las preguntas de su
examen.
• Todas las respuestas DEBEN ser rellenadas en los círculos de la Planilla de
TM
Puntaje ParSCORE
Las respuestas anotadas en el examen NO se contarán.
• Si cambia una respuesta en la planilla ParSCORETM, asegúrese de borrarla por
completo.
• Solo marque un círculo indicando su respuesta por cada pregunta y no llene más
respuestas de las que contiene el examen.
INSTRUCCIONES POR INTERNET PARA ACCEDER A LAS CALIFICACIONES
NACE tiene la política de no revelar las calificaciones de los estudiantes por teléfono, correo electrónico o fax.
Los estudiantes recibirán una carta con su calificación, por correo normal o a través de un representante de la
compañía, aproximadamente de 6 a 8 semanas después de haber concluido el curso. Sin embargo, en la
mayoría de los casos, los estudiantes pueden acceder a sus calificaciones a través de la página web de NACE
de 7 a 10 días después de que la Oficina Central de NACE haya recibido los exámenes.
Instrucciones para acceder a sus calificaciones en la página web de NACE:
Visite: www.nace.org
Seleccione:
Education
Grades
Access Scores Online
Elija el Número de ID de su Curso
(Ejemplo 07C44222 o 42407002) en el menú desplegable.
Ingrese su ID de Estudiante o ID Temporal de Estudiante
(Ejemplo 123456 o 4240700217)*.
Ingrese su Contraseña de 4 dígitos
(Normalmente, los últimos cuatro dígitos del número telefónico que ingresó en la planilla del
examen)
Presione el botón Search
Use el espacio siguiente para anotar la información correspondiente a su curso y a su
ID de estudiante:
ID de ESTUDIANTE__________________CÓDIGO DEL CURSO_________________
CONTRASEÑA (Sólo Cuatro Dígitos) ___________________
*Tome nota que el ID de Estudiante de los miembros de NACE será el mismo que su número de miembro de
NACE, a menos de que se le haya asignado un número de ID Temporal de Estudiante para este curso. Para
los que se registren directamente a través de la Oficina Central de NACE, el ID de Estudiante aparecerá en la
planilla de confirmación del curso, en la lista de estudiantes que tiene el instructor y/o en la tarjeta de
identificación con el nombre del estudiante.
A los que se registren en cursos In-House, de Concesionarios o de Secciones de NACE, se les asignará un ID
Temporal para el curso, con el propósito de que puedan tener acceso a sus calificaciones vía internet.
En el caso de los cursos In-House, la información no estará disponible en la página web hasta que recibamos
el pago de la compañía organizadora.
Al concluir el curso, información con respecto al envío de sus resultados estará disponible en la página web. La
tramitación de sus resultados iniciará en cuanto La Oficina Central de NACE reciba sus documentos. Cuando
los resultados estén en proceso, la columna de “Status” indicará “Processing”. En cuanto los resultados sean
enviados por correo, el estatus será actualizado e indicará “Mailed” y también la fecha de cuando se mandó su
carta de resultados será puesta en la última columna. Los cursos están por orden de fecha. Para saber el
estatus sobre el envío de su carta de resultados conéctese al siguiente enlace:
http://web.nace.org/Departments/Education/Grades/GradeStatus.aspx
Si no ha recibido sus resultados dentro de 2 a 3 semanas después de que la página web indicó la fecha de
envío o “Mailed Date” (seria 6 semanas para los que se ubican internacionalmente), o si está teniendo
dificultades con el acceso a sus calificaciones vía internet, puede contactarnos en [email protected].
NACE CORROSION NETWORK
(NCN)
NACE ha creado la Red de Corrosion de NACE, un foro electrónico gratuito y
abierto al público. Facilita la comunicación entre profesionales que trabajan
en todas los aspectos de la prevención y control de la corrosión.
Si se suscribe a la Red de Corrosion de NACE, usted será parte de un foro
de discusión abierto por E-mail, sobre temas de la A a la Z en la industria de
los recubrimientos. ¿Tiene una pregunta? Pregunte. ¿Tiene la respuesta?
¡Compártala! Algunas veces estas discusiones serán preguntas aisladas, y
otras veces habrá debates.
¿Qué necesita para asociarse? Una dirección de E-mail. ¡Eso es todo!
Luego:
1.
Para Suscribirse, envíe un e-mail en blanco a:
[email protected]
Para Desuscribirse, envíe un e-mail en blanco a:
[email protected]
3.
¡Listo! Usted recibirá un e-mail de respuesta explicándole cómo
participar, pero es tan fácil que podrá hacerlo sin ninguna ayuda.
CP 1 – Cathodic Protection Tester
Plan del Curso
PRIMER DÍA
Presentación, Bienvenida, Resumen
Capítulo 1
Electricidad Básica
Capítulo 2
Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
SEGUNDO DÍA
Capítulo 3
Control de la Corrosión Subterránea
Capítulo 4
Seguridad
Capítulo 5
Mediciones de Campo
Capítulo 5
Mediciones de Campo (continuación)
TERCER DÍA
Presentación de las Estaciones de Medición de Interior
Práctica con las Estaciones de Medición de Interior
CUARTO DÍA
Capítulo 6
Capítulo 7
Programa de Ensayos de Campo (si el clima lo permite)
Interferencia por Corrientes Vagabundas
Monitoreo de la Efectividad de la Protección Catódica y
Almacenamiento de Registros
Práctica con las Estaciones de Medición de Interior
QUINTO DÍA
Capítulo 8
Instalación de los Componentes de los Sistemas de PC
Capítulo 9
Resolución de Problemas
Práctica con las Estaciones de Medición de Interior
Revisión del Curso
SEXTO DÍA
Exámenes Escrito y Práctico
© NACE International, 2006
7/2008
Introducción
Introducción
El Curso
La corrosión es uno de los problemas más importantes con
los que se encuentran los propietarios y operadores de
estructuras metálicas enterradas, offshore, sumergidas y
otras, en contacto directo con un electrolito. Si la corrosión
no se controla, esto puede derivar en grandes costos de
reparación o reemplazo de partes. Pero se podría incurrir
en un costo todavía mayor debido a daños al medio
ambiente o accidentes fatales.
El personal encargado de controlar la corrosión debe tener
una buena comprensión acerca de los mecanismos de la
corrosión. También es necesario que conozcan las
condiciones en que puede haber corrosión en instalaciones
subterráneas.
En este curso, concentraremos nuestro enfoque en el
control de la corrosión de los metales mediante la
aplicación de protección catódica. Este curso fue pensado
para técnicos de campo en protección catódica, aunque
estos conocimientos también son necesarios para los
ingenieros en corrosión.
Antes de entender la prevención de la corrosión, debemos
tratar de adquirir nociones sobre qué significa la corrosión
en sí misma. Ésta se define como el deterioro de una
sustancia o de sus propiedades, debido a una reacción no
deseada de la misma con el medio en que se encuentra.
Esto incluye casi todos los materiales, ya sean metales,
plásticos, madera u hormigón. Una estimación general
muestra que los costos de corrosión en USA. exceden los
$500 billones por año, llegando así a más de $2000 por
habitante.
Hay diversas formas de corrosión, tales como erosión,
corrosión por fricción, nuclear, corrosión por altas
temperaturas, y corrosión electroquímica. En este curso
____________________________________________________________
Protección Catódica Nivel 1, Manual de Enseñanza
©NACE International, 2000
01/2010
1
Introducción
estudiaremos la corrosión electroquímica porque es la
forma en que comúnmente la encontrarán ustedes.
Audiencia (Quién Debería
Concurrir)
El curso está dirigido a los responsables de observar, medir
o registrar la efectividad de los sistemas de protección
catódica, incluyendo al personal de campo afectado a
protección catódica, técnicos y todo aquél que desee
obtener una certificación como Relevador de Protección
Catódica de NACE (Cathodic Protection Tester).
Prerrequisitos
Se recomienda que los asistentes tengan al menos seis meses de
experiencia en trabajos de protección catódica y título de
escuela secundaria o equivalente.
Duración
El curso comenzará normalmente los días lunes a la 8 PM hasta
el sábado a la 1 PM.
Bibliografía
La referencia principal para este curso es el libro Control of
Pipeline Corrosion, de W.A.Peabody, que se le entregará a cada
estudiante formando parte del material de este Curso.
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Protección Catódica Nivel 1, Manual de Enseñanza
©NACE International, 2000
01/2010
2
Introducción
EXPERIMENTOS
A lo largo de la semana, se efectuarán algunos trabajos prácticos
que ayudarán a ilustrar y reforzar los principios teóricos
discutidos en clase.
PRECAUCIÓN: Los estudiantes deben entender que estos
trabajos prácticos son ejecutados bajo condiciones
controladas; las condiciones reales pueden variar.
ENSAYOS DE CAMPO
El día jueves, los estudiantes participarán en una actividad en
condiciones reales, en un sitio de entrenamiento implementado a
tal efecto, siempre y cuando el clima lo permita. Esta actividad
está pensada para simular condiciones reales de trabajo en el
terreno, que los estudiantes pueden encontrar en su trabajo. Los
estudiantes realizarán ensayos y recolección de datos.
Cuestionarios y Exámenes
Habrá diversos cuestionarios distribuidos a lo largo de la semana,
que serán revisados y discutidos en clase con el instructor.
Este curso tiene exámenes tanto escritos como prácticos. Los
exámenes finales tendrán lugar el día sábado.
El examen escrito consta de 100 preguntas del tipo “multiple
choice”. El examen es a libro abierto y se permitirá que los
estudiantes traigan sus propios apuntes y material de referencia.
El examen práctico es a libro cerrado.
Para completar el curso y obtener la certificación, se requerirá un
mínimo de respuestas correctas equivalentes al 70% del total,
tanto en el examen escrito como en el práctico. Todas las
preguntas estarán basadas en conceptos vertidos en el presente
Manual y discutidos en clase.
Las calculadoras operadas con baterías, silenciosas, sin
posibilidad de impresión y/o comunicación, incluyéndose
calculadoras con teclado alfanumérico son permitidas durante el
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Protección Catódica Nivel 1, Manual de Enseñanza
©NACE International, 2000
01/2010
3
Introducción
examen. No podrán usarse computadores de ningún tipo ni
dispositivos con teclado similar al de una máquina de escribir,
incluyendo palmtop, laptop, notebook, y computadoras de
mesa. Tampoco podrán utilizarse durante el examen equipos
de comunicación tales como pagers, teléfonos celulares, ni
tampoco cámaras fotográficas o de video.
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Protección Catódica Nivel 1, Manual de Enseñanza
©NACE International, 2000
01/2010
4
CAPÍTULO 1
ELECTRICIDAD BÁSICA
Introducción
La corrosión y la protección catódicas son fenómenos
electroquímicos. Por lo tanto, en muchas mediciones relacionadas
con la corrosión se utilizan instrumentos eléctricos, por lo que, al
trabajar en protección catódica, tenemos que entender varios
términos, leyes y circuitos eléctricos. Este conocimiento es
fundamental para cualquiera que empiece a trabajar con la
tecnología de protección catódica. En este capítulo se analizan los
conceptos más importantes.
Términos Eléctricos
Electrones
Los electrones son partículas con carga negativa. También
contribuyen a mantener unida la materia, como la mezcla en una
pared de ladrillos.
Voltaje
El voltaje (joule/coulomb), o potencial, es una fuerza electromotriz o
una diferencia de potencial expresada en voltios. El voltaje es la
energía que hace que las cargas se muevan. Esta fuerza se mide en
voltios, milivoltios y microvoltios. En el área de corrosión se utilizan
estas tres unidades. A continuación se definen sus relaciones:
1.000 voltio
0.100 voltio
0.010 voltio
0.001 voltio
0.000001 voltio
=
=
=
=
=
1000 milivoltios
100 milivoltios
10 milivoltios
1 milivoltio
1 microvoltio
1
Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza
© NACE International, 2000
7/2009
Electricidad Básica
1:2
Los símbolos que generalmente se utilizan para expresar el voltaje
son:
fem
Eoe
Vov
fuerza electromotriz – cualquier unidad de voltaje
voltaje de una fuente de energía eléctrica (por
ejemplo una batería, potencial tubo/suelo)
voltaje a través de una carga (por ejemplo una
resistencia)
En muchas mediciones de protección catódica se utilizan voltajes:
mediciones de potencial tubo/suelo, caídas de voltaje a través de
resistencias o a lo largo de tuberías (un método para medir corriente
que se explica en el Capítulo 4), y la tensión de salida de un
rectificador de protección catódica.
Corriente
La corriente es la velocidad de flujo de cargas medida en amperes.
Generalmente la corriente se abrevia como amps, miliamps o
microamps. En corrosión se utilizan las tres unidades. A
continuación se define su relación:
Amperio = unidad de corriente más común = una velocidad de flujo
de carga de 1 coulomb por segundo. Un coulomb es la unidad de
carga transportada por 6.24 x 1018 electrones.
1.000 ampere
0.100 ampere
0.010 ampere
0.001 ampere
0.000001 ampere
=
=
=
=
=
1000 miliamperios
100 miliamperios
10 miliamperios
1 miliamperio
1 microamperio
Los símbolos más comunes para expresar la corriente son:
Ioi
mA o ma
μA o μa
cualquier unidad de amperaje
miliamperios o miliamps
microamperios o microamps
En un circuito, la corriente continua fluye siempre en una misma
dirección. La corriente alterna invierte regularmente la dirección de
flujo, generalmente 100 o 120 veces por segundo.
2
Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza
© NACE International, 2000
7/2009
Electricidad Básica
1:3
Resistencia y Resistividad
La resistencia es la oposición que encuentra una carga al moverse a
través de un material.
El ohmio es la unidad que se usa comúnmente en las mediciones de
resistencia. Es la resistencia de un conductor cuando un voltaje de 1
voltio produce un flujo de corriente de 1 ampere a lo largo del
conductor. La resistencia también se puede medir en miliohmios
(0.001 ohmio) o en megaohmios (1,000,000 ohmios).
Los símbolos de resistencia más comunes son:
• R,r
• Ω (letra griega omega)
La resistencia es importante en factores como dispersores de
protección catódica, resistencia de una estructura al electrolito, y la
resistencia lineal de una estructura larga, como por ejemplo, una
tubería.
La resistividad es la resistencia de un conductor de una unidad de
longitud y una unidad de área transversal.
El símbolo utilizado para resistividad es ρ (letra griega rho).
La resistividad es constante para un material dado y se calcula
mediante la siguiente fórmula:
ρ =
donde
R× A
L
ρ = Resistividad en ohm-cm
R = Resistencia en ohmios
A = Área transversal en cm2
L = Longitud en cm
Si se conoce la resistividad de un material (ver Tabla 1.1), la
resistencia de un conductor, por ejemplo un cable o una tubería de
longitud y área transversal conocidas, se puede calcular a partir de
3
Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza
© NACE International, 2000
7/2009
Electricidad Básica
1:4
R =
ρ × L
A
L
L
ρ
R
A
Figura 1.1a
ρ
R
A
Figura 1.1b
Sección Transversal
A(cm2) = h x w
donde: h = altura (cm)
w = ancho (cm)
A(cm2) = πr2
donde: r = radio (cm)
Los términos de esta ecuación son los mismos de la ecuación
anterior.
La resistencia al flujo de corriente es menor con:
• Medios de baja resistividad (alta conductividad)
• Longitud pequeña del conductor
• Sección transversal mayor
La resistencia será mayor con:
4
Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza
© NACE International, 2000
7/2009
Electricidad Básica
1:5
• Medios de alta resistividad (baja conductividad)
• Gran longitud del conductor
• Sección transversal pequeña
Tabla 1.1 Resistividad Típica de Algunos Materiales Comunes
Material
Resistividad (Ω-cm)
Aluminio
2.69 x 10–6
Carbón
3.50 x 10–3
Cobre
1.72 x 10–6
Hierro
9.80 x 10–6
Acero
18.0 x 10–6
Plomo
2.20 x 10–5
Magnesio
4.46 x 10–6
Zinc
5.75 x 10–6
Hielo
5.75 x 108
Goma
7.20 x 1016
Agua (corriente)
3.00 x 103
Agua (de mar)
3.00 x 101
Suelos (varios)
1.00 x 102 a 5 x 105
La notación científica usa exponentes en base 10. Por ej.
1 x 102 = 1 x 10 x 10 = 100
1 x 10-2 = 1 x 0.1 x 0.1 = 0.01
La unidad que se usa comúnmente para medir la resistividad de un
electrolito es ohm-centímetro. Se la puede definir como se hizo
anteriormente. Sin embargo, dado que los electrolitos generalmente
no tienen dimensiones fijas (la tierra o un volumen determinado de
agua, por ejemplo), generalmente la resistividad se define como la
5
Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza
© NACE International, 2000
7/2009
Electricidad Básica
1:6
resistencia entre dos caras paralelas de un cubo de un cm por lado.
Las resistividades de los electrolitos varían mucho. Algunos tienen
resistividades tan bajas como 30 Ω-cm (el agua de mar), y otros,
pueden llegar a resistividades de hasta 500,000 Ω-cm (arena seca).
La resistividad de un electrolito es un factor importante a la hora de
evaluar la corrosividad de un medio y diseñar un sistema de
protección catódica. En el Capítulo 5 se analiza la medición de la
resistividad de electrolitos.
Símbolos Eléctricos
Resistencia
Tierra
Batería
Conexión
Rectificador
T/R
Interruptor
Diodo
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Electricidad Básica
1:7
Circuito Eléctrico
El circuito eléctrico es el camino que recorre una corriente eléctrica.
Ver Figura 1.2. En las Figuras 1.6, 1.7 y 1.8 se muestran ejemplos de
diversos circuitos.
E=1 volt
−
+
I
R=1000 ohms
Figura 1.2 Corriente a través de una Resistencia
Leyes Eléctricas
Las leyes eléctricas rigen las relaciones en los circuitos eléctricos.
Ley de Ohm
La Ley de Ohm es la relación entre el cociente entre voltaje y
corriente, con respecto a la resistencia de un circuito. La ley
establece que 1 voltio creará una corriente de 1 ampere en un
circuito con 1 ohmio de resistencia. La Ley de Ohm puede
expresarse de las siguientes maneras:
donde E o V
I
R
E oV
I
R
= Voltaje (fuerza electromotriz)
= Corriente (amperes)
= Resistencia (ohmios)
=
=
=
IR
E/R
E/I
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1:8
Esto puede ilustrarse gráficamente mediante el “Triángulo de la Ley
de Ohm”:
EoV
R
I
Si se conocen dos de estas variables, puede calcularse la tercera. Por
ejemplo, si en un circuito de protección catódica se han medido el
voltaje y la corriente, puede calcularse fácilmente la resistencia del
circuito. Una forma fácil de utilizar el triángulo de la Ley de Ohm
consiste en colocar el pulgar sobre la cantidad que se quiere conocer.
Si se quiere conocer la resistencia, como en el ejemplo anterior,
coloque su pulgar sobre la R y verá que R = E/I. Si se desea conocer
el voltaje, colocando el pulgar sobre E vemos que E = I x R.
Recuerde que las unidades deben coincidir: A y V o mA y mV. No
pueden mezclarse Amperes y milivoltios o voltios y miliamperios.
Observe el circuito de la Figura 1.3. Se conecta una batería a través
de una resistencia conocida.
−
E=1 volt
+
I
R=1000 ohms
Figura 1.3 Corriente a través de una Resistencia
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1:9
¿Cuál será el flujo de corriente?
I =
1 . 0 volt
E
=
R
1000 ohms
= 0 . 001 amps
= 1 miliamp
De la misma forma, si sabemos que la corriente es de 1 mA y el voltaje
de 1.0 voltio, ¿cuál será la resistencia?
R =
E
1 . 0 volt
=
I
0 . 001 amps
= 1000 ohms
Obsérvese que hemos tenido que convertir 1.0 mA en 0.001 amps
para poder usar la Ley de Ohm, ya que el voltaje está expresado en
voltios, no en milivoltios.
La Ley de Ohm es muy importante para su trabajo y usted debe estar
familiarizado con ella. Ahora realice los cálculos del Ejercicio 1.1 al
final de este capítulo.
Potencia
La potencia es la energía que utiliza un instrumento eléctrico. Por
ejemplo, hay que conocer la potencia requerida para un rectificador
de protección catódica, para determinar el tamaño del circuito de
alimentación de corriente alterna.
La potencia se mide en watts. Las ecuaciones y símbolos que se usan
para designar la potencia son:
P = EI
P = I2R
donde:
P = Potencia en watts (ó vatios)
R = Resistencia en ohmios
E = Voltaje en voltios
I = Corriente en amperes
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1:10
Leyes de Kirchhoff
Ley de Voltaje
Esta ley establece que la suma de los voltajes de las fuentes dentro
de una porción cerrada del circuito es igual a la suma de las caídas
de potencial a través de las resistencias en esa porción.
Por ejemplo, en la Figura 1.4:
Voltaje Total = 12V + 12V = 24V = caídas óhmicas (8V + 8V + 8V)
E = 12 V
E = 12 V
+
+
I
V
=8V
V
=8V
V =8V
Figura 1.4 Ley de Voltaje de Kirchhoff
El voltaje impulsor de este circuito es una batería de 24 voltios. La
caída óhmica (caída IxR o IR) a través de cada resistencia es de 8
voltios. En este ejemplo, las tres resistencias tienen el mismo
tamaño. Si tuvieran tamaños diferentes, la suma de las caídas de
potencial a través de ellas seguiría siendo igual a 24 voltios. Las
caídas de potencial en un circuito eléctrico son como las caídas de
presión a lo largo de una tubería. Si se suman las distintas caídas de
presión, equivalen a la caída de presión total a lo largo de esa
tubería.
Ley de Corriente
Esta ley establece que desde un punto determinado del circuito sale
la misma cantidad de corriente que la que entra al mismo punto. Es
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Electricidad Básica
1:11
particularmente útil para analizar circuitos en paralelo y trazar el
flujo de corriente en redes complejas.
Por ejemplo, en la Figura 1.5:
Corriente que ingresa (6 amps) = Corriente que sale (3 + 2 + 1 amps)
2 amps
6 amps
3 amps
1 amp
Figura 1.5 Ley de Corriente de Kirchhoff
Circuito en Serie
En un circuito en serie (Figura 1.6), la misma corriente circula por
un solo camino consecutivo y continuo desde la fuente de voltaje a
través de las diversas cargas, y vuelve a la fuente.
• La corriente es la misma en cualquier parte del circuito.
• Las distintas caídas de potencial pueden ser todas diferentes,
dependiendo del valor de cada resistencia, pero su sumatoria (ET)
debe ser equivalente al voltaje de la fuente (un ejemplo de la Ley
de Voltaje de Kirchhoff).
• La resistencia total (RT) de un circuito en serie equivale a la
sumatoria de las resistencias individuales.
En protección catódica, trabajamos con circuitos en serie, por
ejemplo, en la longitud de los cables que conectan a los dispersores.
Cuanto más largo es el cable (un circuito en serie), mayor será la
resistencia y menor la corriente para un voltaje dado. La resistencia
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Electricidad Básica
1:12
entre un único ánodo galvánico y una estructura también constituye
un circuito eléctrico.
Por ejemplo, considérese el siguiente circuito, donde:
ET = Voltaje Total A Través del Circuito
RT = Resistencia Total en el Circuito
IT = Corriente Total en el Circuito
I
R1
R1
EE21
R2
R2
EE2 1
R3R
3
Figura 1.6 Circuito en Serie
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Si se sabe que
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E1 = 5 V
E2 = 5 V
R1 = 5 Ω
R2 = 3 Ω
R3 = 2 Ω
R T = 5 Ω + 3 Ω + 2 Ω = 10 Ω
IT =
E
10 V
=
= 1A
10 Ω
R
I1 = 1A
I2 = 1A
I3 = 1A
IT=I1=I2=I3= 1A
RT=R1+R2+R3= 10Ω
I1R1 = 1A x 5Ω = 5V
I2R2 = 1A x 3Ω = 3V
I3R3 = 1A x 2Ω = 2V
Caída IR Total = 10V
Ó
ITRT = 1A x 10Ω = 10V
ET = 10V
Nótese que se cumple la Ley de Voltaje de Kirchhoff.
Ahora analice el Ejercicio 1.2 para practicar con circuitos en serie.
Circuito en Paralelo
En un circuito en paralelo (Figura 1.7), la corriente se divide en
varias ramas distintas. Cada rama puede tener una resistencia
diferente; por lo tanto, la corriente que circula por cada rama puede
ser diferente. La caída de voltaje a través de cada elemento o a través
de la fuente, es la misma en todo el circuito. Siempre que exista más
de un camino que la corriente pueda tomar dentro de un circuito, se
trata de un circuito en paralelo.
Los ánodos galvánicos conectados a una estructura constituyen un
circuito en paralelo. Lo mismo vale para los ánodos de corriente
impresa: a medida que se agregan más ánodos, menor será la
resistencia al electrolito y se obtendrá más corriente.
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Electricidad Básica
1:14
Para un circuito en paralelo:
• La caída de potencial a través de cada rama es la misma, y es
equivalente al voltaje de la fuente.
• La corriente total que circula hacia y desde el punto de
intersección entre ramas, equivale a la sumatoria de las corrientes
en cada rama (Ley de Corriente de Kirchhoff).
• La resistencia total (equivalente) es igual al valor recíproco de la
sumatoria de los valores recíprocos de las resistencias
individuales.
• La resistencia total (equivalente) siempre es menor que la menor
resistencia del circuito.
Por ejemplo, analice el siguiente circuito:
I
E
I1
R1
I2
R2
I3
I
Figura 1.7 Circuito en Paralelo
IT = I1+ I2 + I3
ET = I1R1 = I2R2 = I3R3
RT =
1
1
1
1
+
+
R1
R2
R3
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R3
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I1 =
ET
R1
I2 =
ET
R2
I3 =
ET
R3
Dados
1:15
E = 20 V
R1 = 5 ohmios
R2 = 4 ohmios
R3 = 2 ohmios
I1R1 = ET = 20V I1 = ET/R1 = 20V/5Ω = 4A
I2R2 = ET = 20V I2 = ET/R2 = 20V/4Ω = 5A
I3R3 = ET = 20V I3 = ET/R3 = 20V/2Ω = 10A
IT = 4A + 5A + 10A= 19A
Ahora analicemos la resistencia total del circuito:
RT =
1
1
=
1
1
1
1
1
1
+
+
+
+
R1 R2 R3
5Ω 4Ω 2Ω
RT =
IT =
1
0.2 + 0.25
20 volts
1 . 05 ohms
+ 0.5
=
1
0.95
= 1.05 ohms
= 19 . 05 amps
La diferencia de 0.05 se debe al decimal en el cálculo de RT.
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Electricidad Básica
1:16
Si todas las resistencias de un circuito en paralelo son iguales, la
resistencia total del circuito equivale a una de las resistencias
dividida por la cantidad de resistencias.
RT =
R
N
donde:
RT = Resistencia total
R = Resistencia de cada resistor
N = Número de resistores
Analice ahora el Ejercicio 1.3 para practicar con circuitos en
paralelo.
Circuito Serie-Paralelo
Un circuito serie-paralelo (Figura 1.8) combina elementos de circuitos
en serie y circuitos en paralelo. Hay circuitos muy complejos que
pueden reducirse a un circuito que consiste en elementos en serie y
elementos en paralelo. Esto es importante para el diseño de protección
catódica. El cable que va al dispersor representa un circuito en serie, el
dispersor en sí es un circuito en paralelo.
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1:17
IT
I
R1
1
I
2
R2
I
3
R3
+
E2
I
–
4
R
4
IT
Figura 1.8 Circuitos en Serie y en Paralelo Combinados
Dados
E = 20 V
R1 = 5 ohmios
R2 = 4 ohmios
R3 = 2 ohmios
R4 = 0.95 ohmios
Primero, reduzca la parte en paralelo del circuito a una sola
resistencia utilizando la misma fórmula que en la Figura 1.5:
RT =
1
1
=
= 1.05 ohms
1
1
1
0.95
+
+
5 ohms 4 ohms 2 ohms
Tenemos ahora un circuito en serie equivalente, con dos resistencias,
1.053 Ω y 0.95Ω con una resistencia total de 2.003 Ω.
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IT
E2E
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RT
R
R3
4
Figura 1.9
El voltaje total, ET = 20 V
Corriente total IT = ET/RT = 20V/2.003 Ω = 9.98 A
A continuación, calcule el voltaje a través de la parte en paralelo del
circuito. Esto equivale al voltaje total menos la caída de potencial a
través de R4 o sea 20V – 10A x 0.95Ω = 10.5V.
Calcular las corrientes a través de R1, R2, y R3 consiste simplemente
en aplicar la Ley de Ohm:
I1 = 10.5V/5Ω = 2.10A
I2 = 10.5V/4Ω = 2.63A
I3 = 10.5V/2Ω = 5.25A
IT = 9.98A
Nótese que también se cumple la Ley de Corriente de Kirchhoff. Las
corrientes que ingresan en los puntos A, B y C son equivalentes a las
que salen de esos mismos puntos.
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Electricidad Básica
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Corriente Continua (DC)
La corriente continua circula en una única dirección. Es producida
por una batería y tiene apariencia de línea recta al mirarla con un
osciloscopio. Ver Figura 1.10. Los circuitos analizados más arriba
están todos basados en corriente continua.
(+)
0
(–)
Figura 1.10 Corriente Continua Pura
Corriente Alterna (AC)
La corriente alterna, como la que usamos en nuestras casas y
edificios, invierte su dirección en forma cíclica, generalmente 100 o
120 veces por segundo. Un ciclo completo se cumple cada 50avas
partes o 60avas partes de segundo. La palabra hertz (hz) se usa para
representar un ciclo, así que, al hablar de corriente alterna, hablamos
de corriente de 50 ó 60 hz (ciclos por segundo) La Figura 1.11
muestra una corriente alterna típica.
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Electricidad Básica
1:20
Má xima Corriente hacia adelante
Medio Ciclo
Corriente cero
Medio Ciclo
Má xima corriente inversa
Figura 1.11 Corriente Alterna
Mediante un rectificador, puede convertirse la corriente alterna en
corriente continua. Ésta es la función de los rectificadores de
protección catódica. Sin embargo, la corriente continua rectificada
mantiene un poco de ripple, así que no es igual a la corriente
continua pura originada en una batería. La Figura 1.10 muestra una
onda de corriente alterna rectificada
Má xim a corriente hacia adelante
Corriente Cero
Medio Ciclo
Figura 1.12 DC Producida por el Rectificar de AC
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Electricidad Básica
1:21
Es importante conocer la corriente alterna para entender los
rectificadores de protección catódica. A continuación, se describen
algunos de los factores más importantes.
Transformadores
Los transformadores se usan para aumentar o disminuir voltajes o
para aislar una fuente de voltaje de entrada del voltaje de salida. El
transformador tiene un núcleo de hierro laminado como se muestra
en la Figura 1.13, donde se puede ver el transformador como parte
de un rectificador de protección catódica. Hay dos bobinados sobre
el cuerpo, el primario y el secundario. El primer bobinado está
conectado a la tensión de entrada o de línea. El segundo está
conectado a la unidad a la que se suministra el voltaje.
Entrada AC
Transformador
Interruptor AC
Conexiones
de Ajuste (taps)
sobre el Bobinado
Secundario
Gabinete
-
Puente
rectificador
+
Shunt
Voltímetro de Salida
A
Amperímetro de Salida
V
Puesta a tierra
+
A Estructura A Ánodos
Figura 1.13 Típico Bobinado de Transformador en un Rectificador
Debido a la tensión aplicada al bobinado primario, en el cuerpo se
genera un campo magnético alterno. Este campo induce la diferencia
de potencial en el bobinado secundario. El cociente entre el voltaje
secundario y el primario es directamente proporcional al cociente
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Electricidad Básica
1:22
entre el número de vueltas en el bobinado secundario y en el
primario. Este cociente puede expresarse así:
VOLTAJE PRIMARIO
NUMERO DE VUELTAS EN EL PRIMARIO
=
VOLTAJE SECUNDARIO NUMERO DE VUELTAS EN EL SECUNDARIO
Esta relación se cumple siempre que no haya carga. Las pérdidas en el
cuerpo y en el laminado reducen el voltaje de salida bajo
condiciones de carga.
En los rectificadores de protección catódica, se conectan diversas
conexiones al bobinado secundario (taps), por lo que pueden
efectuarse varias selecciones de voltaje.
Impedancia
La impedancia es la oposición total que un circuito ofrece a la
corriente alterna, similar a la resistencia de un circuito con respecto a
la corriente continua. La impedancia es igual a un cociente complejo
entre voltaje AC y corriente AC. La impedancia también depende de
la frecuencia y la forma de la onda de la corriente. La impedancia se
mide en ohmios, igual que la resistencia DC.
Funcionamiento de los Instrumentos de
Medición
General
La clasificación de un instrumento de medición depende de su
funcionamiento interno y de la forma de presentación de los
resultados (display). El funcionamiento interno puede ser de
movimiento electromecánico o electrónico. El display puede ser
analógico o digital. Los primeros instrumentos se construyeron
utilizando el movimiento electromecánico con display analógico, y
se los llama instrumentos analógicos. Estos instrumentos tienen una
aguja que se mueve sobre el frente del instrumento e indica la lectura
sobre una escala.
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Electricidad Básica
1:23
Hoy en día, la mayoría de los instrumentos son electrónicos con
displays digitales, y se los llama instrumentos digitales. Los
híbridos, electrónicos pero con displays analógicos (amplificadores
electrónicos que mueven una bobina electromecánica) se llaman
instrumentos electrónicos (ver Figura 1.14).
MEDIDOR
MOVIMIENTO
ELECTROMECÁNICO
DISPLAY
ANALÓGICO
CIRCUITO
ELECTRÓNICO
DISPLAY
DIGITAL
DISPLAY
ANALÓGICO
Figura 1.14 Instrumentos de Medición
Instrumentos Analógicos
Movimiento Básico
El movimiento básico de un instrumento analógico es un sistema de
imán permanente/bobina móvil, llamado movimiento D’Arsonval.
Esto se muestra en la Figura 1.15. La aguja suministra una
representación constante de la medición, llamada un analógico del
valor medido.
El instrumento D’Arsonval responde al flujo de corriente a través de
la bobina móvil. La corriente eléctrica es convertida en fuerza
mecánica, de la siguiente manera:
1. La corriente proveniente de un circuito externo circula a través
de la bobina y genera un campo magnético.
2. La bobina rota debido a la reacción de su campo magnético con
el campo magnético del imán permanente.
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Electricidad Básica
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3. A medida que la bobina rota, se opone a un resorte mecánico,
generando tensión sobre el mismo.
4. La aguja se detiene en algún punto de la escala calibrada, según
el balance de fuerzas entre la bobina magnética móvil y la
tensión del resorte.
5. La lectura en la escala representa el flujo de corriente a través de
la bobina proveniente del circuito externo. Nótese que la energía
necesaria para que funcione el instrumento proviene del propio
circuito.
Escala
Aguja
ImánPermanente
Selector del
rango del
instrumento
N
S
Im
Bobina
Móvil
-
+
Resistencia de Amortiguacion
Figura 1.15 Movimiento D'Arsonval (Voltímetro)
De la corriente total requerida para causar la deflexión, parte circula
a través de la bobina móvil y parte a través de una resistencia de
amortiguación (damping resistor). Este último está conectado en
paralelo con el primero; su función es la de reducir un sobregiro de
la aguja y permitir que ésta se estabilice dentro de un período de
tiempo razonable.
La bobina es delicada y se destruye fácilmente si la corriente es muy
elevada; por lo tanto, se instalan resistencias en serie o en paralelo
con el movimiento del medidor para controlar la corriente máxima
que circula por la bobina.
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Electricidad Básica
1:25
Aunque este tipo de instrumento se use para medir voltaje, corriente
o resistencia, cada una de estas mediciones depende en realidad de la
medición de la circulación de corriente. El instrumento mide la
corriente directamente y, conociendo una de las otras variables, la
tercera puede calcularse utilizando la Ley de Ohm.
Para obtener una lectura positiva (aguja hacia la derecha), la
corriente debe ingresar por el terminal positivo del instrumento.
Recordar esto permitirá determinar la dirección del flujo de corriente
en el circuito con el que se trabaja.
Además, al usar un instrumento analógico, el electrodo de referencia
se conecta al terminal positivo para obtener una lectura positiva.
Voltímetros
Como el instrumento D’Arsonval responde a la corriente circulando
por la bobina, se puede determinar la magnitud de la corriente que
causa una deflexión completa. Además, se conoce la resistencia en
serie de la bobina. Entonces, el instrumento puede utilizarse para
determinar voltaje, usando la Ley de Ohm. El voltaje a fondo de
escala no es más que la corriente a fondo de escala por la resistencia
de la bobina. Este es el rango de voltaje a fondo de escala más
pequeño posible de medir con el instrumento. Para medir rangos de
voltaje a fondo de escala más elevados pueden conectarse
resistencias en serie con la bobina móvil, lo cual reduce la magnitud
de la caída de potencial a través de la bobina.
Para lecturas de bajos voltajes, la resistencia del instrumento tiene
gran importancia, y otras resistencias externas, como las asociadas a
cables de medición y contacto entre electrodo de referencia y
electrolito, pueden causar un error en la medición.
Amperímetros
Si se usa el instrumento como amperímetro, las resistencias se
conectan en paralelo con la bobina móvil, para derivar una porción
importante de la corriente total en la bobina. La posición del selector
de rango, determina el valor de la resistencia en paralelo. Cuanto
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Electricidad Básica
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mayor es la corriente a medir, menor debe ser el shunt en paralelo,
para permitir que mayores cantidades de corriente sorteen la bobina.
Óhmetros
Si se mide la corriente y se conoce el voltaje, la resistencia de un
circuito se puede calcular usando la Ley de Ohm. Un óhmetro mide
el flujo de corriente causado por una fuente de voltaje conocida e
indica la resistencia en la escala o en el display.
Los óhmetros no se usan demasiado en corrosión. Pueden servir para
verificar continuidad dentro de un circuito y otras mediciones en
rectificadores o paneles de resistencias, pero no sirven para medir
resistencia entre estructuras y su electrolito (por ejemplo, resistencia
a través de una junta aislante, o entre un encamisado y un tubo), por
dos motivos: primero, cuando dos estructuras están eléctricamente
aisladas una de otra mediante una conexión, existe una resistencia en
paralelo a través del electrolito. El óhmetro no puede hacer la
distinción entre la resistencia del accesorio aislante y la resistencia al
electrolito. Sin embargo, es aún más importante el hecho de que casi
siempre existe una diferencia de potencial entre dos estructuras
aisladas. Este voltaje afecta el voltaje total del circuito de medición,
generando errores considerables. Puede darse el caso de que se
obtenga una resistencia muy alta con los cables conectados de una
manera, y una muy baja si se los conecta en sentido opuesto.
Instrumentos Digitales
Funcionamiento Básico
Un instrumento digital se basa en una tecnología de microcircuitos
integrados. Realiza un muestreo de los datos analógicos durante un
cierto período de tiempo. Luego convierte el promedio de estos
valores divididos por este tiempo, en un valor digital, un número
codificado, utilizando un conversor analógico-digital (A-D). En los
multímetros digitales (DMM), todas las mediciones se convierten en
voltios de corriente continua antes de la conversión analógicodigital. La lectura que se obtiene no es un valor continuo, sino un
muestreo de los datos medidos. Sin embargo, se mide varias veces
por segundo. El valor medido se muestra con dígitos enteros, que no
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Electricidad Básica
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requieren interpretación del observador, como en la lectura
analógica. Si un voltaje está cambiando, los números también
cambian, por lo que puede resultar difícil leer un valor específico.
Por lo tanto, en zonas donde haya corrientes vagabundas, puede
resultar más útil un medidor analógico que uno digital.
Conexiones al Instrumento
Cuando la corriente ingresa por el terminal positivo del instrumento,
aparece un signo positivo (+). Cuando ingresa por el terminal
negativo, aparece un signo negativo (–). Teniendo esto en cuenta,
siempre se puede determinar la dirección en que circula la corriente
dentro del circuito con el que se está trabajando.
También hay que recordar que, al usar un instrumento digital, el
electrodo de referencia se conecta siempre al terminal negativo, para
obtener la polaridad correcta en la lectura.
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Ejercicio 1.1: Ley de Ohm
Escriba las tres formas de la Ley de Ohm:
E=
I=
R=
Datos:
Se diseña una lámpara de luz para 120 voltios que tiene una
resistencia de 20 ohmios...
¿Cuánta corriente circulará por la lámpara? _______________
¿Cuántos watts se necesitarán (P = V x I)? _______________
Datos:
Un circuito de corrosión produce 2 amperes de corriente con un
voltaje de 1,6 voltios.
¿Cuál es la resistencia de este circuito? __________________
Datos:
Para proteger una estructura mediante PC se requieren 100 miliamps
y la resistencia total es de 1.5 ohmios.
¿Cuál es el voltaje requerido para este circuito? ____________
Datos:
La diferencia de potencial entre los ánodos y la estructura de un
sistema de PC es de 1 voltio y la corriente de protección es de 100
miliamps.
¿Cuál es la resistencia del circuito? _______________________
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1:29
Ejercicio 1.2: Circuito en Serie
E2
E1
I
R1
R2
R3
Dados:
Voltaje suministrado por la fuente: E1 = 5V, E2 = 5V, ET = 10V
Resistencia de carga (R1) = 1 Ω
Resistencia de carga (R2) = 2 Ω
Resistencia de carga (R3) = 1 Ω
Calcular la resistencia total __________________________
Calcular la corriente________________________________
Calcular la caída de potencial a través de R1____________________
Calcular la caída de potencial a través de R2?___________________
¿Calcular la caída de potencial a través de R3? _________________
Calcular la sumatoria de las caídas de potencial_________________
¿La sumatoria de caídas de potencial es igual al potencial de la
fuente?
Sí
No
¿Se cumple la Ley de Voltaje de Kirchhoff? Sí
No
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Electricidad Básica
1:30
Ejercicio 1.3: Circuito en Paralelo
I
E
I1
R1
I2
R2
I3
R3
I
Dados:
Voltaje de la fuente (E) = 20 V
Resistencia de carga (R1) = 1 Ω
Resistencia de carga (R2) = 2 Ω
Corriente por la resistencia de carga (R3) = 20 amps
¿Cuál será el voltaje total? _____________________
¿Cuál será la caída de potencial a través de R1?_________________
Calcule la corriente que circula por
R1_________________
¿Cuál será la caída de potencial a través de R2?_________________
Calcule la corriente que circula por
R2_________________
¿Cuál será la caída de potencial a través de R3?_________________
Calcule la resistencia R3 _______________________
Calcule la corriente total ____________________________
Calcule la resistencia total usando la Ley de Ohm_______________
Calcule la resistencia total usando la ecuación de resistencia total en
un circuito en paralelo____________________________
30
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Electricidad Básica
1:31
Usando flechas, demuestre la aplicación de la Ley de Corriente de
Kirchhoff.
31
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Electricidad Básica
1:32
Ejercicio 1.4: Tablero de Resistencias e
Instrumento de Laboratorio
Las mediciones simples realizadas con las funciones de voltímetro y
amperímetro de un multímetro digital, pueden usarse para determinar
las características y parámetros de funcionamiento de los circuitos
eléctricos DC. Para los siguientes experimentos se usarán el tablero
que se ilustra más abajo y el multímetro digital incluidos en los kits de
experimentos. Aquí se muestra un esquema del tablero.
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Electricidad Básica
1:33
Registre los datos en la Planilla de Datos que se provee a
continuación.
Paso 1. Utilizando el voltímetro, mida el voltaje de la batería.
¿Coincide con el valor impreso del voltaje de la misma? Si
no es así, ¿por qué?
Paso 2. Utilizando el instrumento como óhmetro, mida el valor de
la resistencia de cada una de las resistencias. ¿Estos valores
coinciden con el valor marcados sobre las resistencias? Si
no es así, ¿por qué?
Paso 3. Calcular el valor de la Resistencia total (RT) de R12, R13 y
R14.
Paso 4. Conecte las resistencias de 1000 Ω (R2), 100 Ω (R3), y 10 Ω
(R4) en serie y mida la resistencia total con el óhmetro (RT).
[NO CONECTE LA BATERIA] ¿Coincide su medición
con el cálculo efectuado en el Paso 3? Si no es así, ¿por
qué?
Paso 5. Utilizando la Ley de Ohm y los valores medidos de ET y RT,
calcular la corriente total (IT).
Paso 6. Con las resistencias conectadas en serie, conecte ahora la
batería y el amperímetro en serie. [PRECAUCION:
Asegúrese que el instrumento de medición está colocado en
la posición de mA antes de conectar la batería] Mida la
corriente total (IT). Cómo se compara con su valor
calculado?
Paso 7. [COLOQUE LA POSICION DC VOLTS EN SU
INSTRUMENTO] Mida la caída IR a través de cada
resistencia y súmelas. Mida el voltaje total de la fuente. ¿La
suma de caídas IR es igual al voltaje total medido?
PRUEBA DE DIODOS
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7/2009
Electricidad Básica
1:34
Pruebe el diodo con el circuito de chequeo de diodos. Mida el voltaje
directo e inverso y registre si es correcto, a circuito abierto o en
corto circuito.
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PLANILLA DE DATOS
PASO 1
VOLTAJE INDICADO EN LA BATERÍA (ET) : _____________V
VOLTAJE MEDIDO EN LA BATERÍAET) : ____________ V
PASO2
MEDICIONES DE RESISTENCIAS
R1
Nominal
10,000 Ω
Medido
______________
R2
1,000 Ω
______________
R3
100 Ω
______________
R4
10 Ω
______________
CIRCUITO EN SERIE
PASO 3
Resistencia Total Calculada RT = R2 + R3 + R4 = ______ Ω
PASO 4
Resistencia Total Medida
RT = R2 + R3 + R4 = ____________ Ω
PASO 5
Corriente Calculada (IT) = ET /RT = : __________ A
PASO 6
Corriente Medida (IT)
__________________ A
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PASO 7
CAIDAS IR MEDIDAS
V1 = : ______________ V Sobre la resistencia de 1000 Ω
V2 = : ______________ V A Sobre la resistencia de 100 Ω
V3 = : ______________ V Sobre la resistencia de 10 Ω
Voltaje Total Calculado VT = : ______________ V
Voltaje de la Fuente Medido (ET) : ______________ V
PRUEBA DEL DIODO
LECTURA DIRECTA
LECTURA INVERSA
Bueno
‰____________ __________
Mal
‰____________ __________
En corto
‰____________ __________
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Capítulo 1 Apéndice 1
Fusibles del Medidor – Instrucciones para la Sustitución
Los fusibles del medidor deben revisarse y cambiarse si usted ha confirmado que los cables están
bien (son eléctricamente continuos) y si:
1. Al configurar el medidor a voltios DC y hacer contacto entre los cables positivo y
negativo, no se produce un voltaje cero (0.0); o
2. Al configurar el medidor para medir resistencia (ohmios) y hacer contacto entre los
cables positivo y negativo, el medidor continúa midiendo “overload” (OL); o
3. Al medir una corriente (miliamperios o amperios) en forma directa, no se aparece
ningún amperaje, o la lectura de amperaje fluctúa.
Para revisar los fusibles, realice lo siguiente:
1. Quite los tornillos y retire la cubierta posterior. En algunos medidores, los fusibles están en el
compartimiento de las baterías.
2. Retire cada fusible y examínelo usando otro multímetro, en la escala de resistencia en
ohmios. Un fusible en buen estado tendrá una resistencia cercana a cero (0.0). Un fusible
dañado producirá una lectura de sobrecarga (OL) o una resistencia extremadamente alta. En
algunos casos, también se puede inspeccionar directamente el fusible, para confirmar si
aparece quemado, separado o no intacto.
“Fusible Dañado”
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“Fusible en Buen Estado”
3. Sustituya el fusible con otro del valor adecuado. Coloque nuevamente la cubierta del
medidor. Verifique que el instrumento funciona correctamente, como se describió
anteriormente.
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Capítulo 1 Apéndice 2
Código de Colores de Resistencias
A
B
C
Primera Banda
Siginificativa. Si es del
Doble de ancho, la
Resistencia es bobinada.
D
Tolerancia
Multiplicador
Segunda Banda Significativa
Banda A
Negra
0
Marrón
1
Roja
2
Naranja 3
Amarilla 4
Verde
5
Azul
6
Púrpura 7
Gris
8
Blanca
9
Banda B
Negra
Marrón
Roja
Naranja
Amarilla
Verde
Azul
Púrpura
Gris
Blanca
Valores
Banda C
Banda D
Negra
1 Plateada
± 10%
Marrón
10 Dorada
± 5%
Roja
100
Naranja
1,000
Amarilla
10,000
Verde
100,000
Azul
1,000,000
0
1
2
3
4
5
6
7
8 Plateada
9 Dorada
0.01
0.1
Ejemplo
A = Roja = 2
B = Azul = 6
C = Naranja = 1,000
D = Plateada = ± 10%
Valor de la Resistencia = 26,000 Ω ± 10%, es decir, entre 23,400 Ω y
28,600 Ω
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CAPÍTULO 2
QUÍMICA BÁSICA Y TEORÍA BÁSICA DE LA CORROSIÓN
Fundamentos Químicos
NACE International define la corrosión como el deterioro de un material,
generalmente un metal, resultante de la reacción con su medio.
Para poder entender la corrosión y la protección catódica hace falta un
conocimiento básico de química y electroquímica. La electroquímica es una
rama de la química que estudia los cambios químicos que acompañan el
flujo de una corriente eléctrica, o los procesos en los que una reacción
química genera una corriente eléctrica. En este capítulo se analizan algunos
términos y definiciones relacionados con el tema.
Elementos
Toda la materia está compuesta de elementos químicos. Estos elementos
son como los ladrillos básicos con los cuales se forma todo el mundo físico,
y están compuestos de átomos. Hasta 1998 existían 109 elementos
reconocidos, si bien algunos de ellos existen sólo como productos de
reacciones nucleares y existen por períodos muy cortos.
Átomos
Un átomo consiste en un núcleo y electrones en órbita alrededor de este
núcleo. El núcleo está formado por partículas con carga positiva llamadas
protones y partículas neutras llamadas neutrones. En cualquier átomo, el
número de protones es igual al número de electrones, con carga negativa.
Por lo tanto, un átomo no tiene carga eléctrica neta. Ver Figura 2.1.
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7/09
Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:2
ELECTRONES
NUCLEO
ORBITA
Figura 2.1 Modelo de Bohr de un Átomo
Iones
La pérdida o ganancia de electrones puede cargar un átomo. Los átomos
con carga eléctrica se llaman iones y la carga de un átomo se conoce como
el estado de valencia. Un ion formado mediante ganancia de electrones se
llama anión y tiene carga negativa, ya que la cantidad de electrones es
mayor que la de protones. La pérdida de electrones resulta en un ion con
carga positiva llamado catión. Por ejemplo, cuando el sodio se combina con
el cloro, se transfiere un electrón del sodio al cloro, creando un ion de sodio
con carga positiva y un ion cloruro con carga negativa. Los dos iones, con
cargas opuestas, se atraen electrostáticamente, formando una molécula. Los
iones permiten la transferencia de cargas en medios líquidos.
Compuestos (Moléculas)
Las moléculas se componen de dos o más átomos. La molécula es la unidad
más pequeña de una sustancia, con las mismas propiedades químicas que esa
sustancia. Por ejemplo, una molécula de agua se compone de un átomo de
oxígeno y dos de hidrógeno, como se muestra en la Figura 2.2. Si se sigue
subdividiendo esta molécula, se obtiene una sustancia con características
diversas a las del agua. Los átomos de una molécula se mantienen unidos
mediante una fuerza conocida como enlace químico. Es justamente el enlace
químico el que determina muchas de las propiedades de una sustancia.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:3
Figura 2.2 Molécula de Agua
Acidez y Alcalinidad (pH)
Cuando se analiza un medio acuoso (incluyendo suelos), muchas veces es
útil saber cuán ácida o alcalina es la solución. Esto es, si hay un exceso de
iones hidrógeno (H+) o iones oxhidrilo (OH–).
Cuando los ácidos se disocian, el catión producido es el ion hidrógeno, H+.
Se dice que un medio es ácido cuando hay un exceso de iones H+. La fuerza
de un ácido es una medida de la concentración de iones hidrógeno en una
solución acuosa, y se clasifica de acuerdo con la escala de pH. El pH se
define como el logaritmo negativo en base 10 de concentración de iones
hidrógeno, o:
pH = –log [H+]
Cuando se disocia una base (álcali), el anión producido es el ion oxhidrilo,
OH–. Se dice que un medio es alcalino cuando hay un exceso de iones OH–
(oxhidrilo).
Podemos comprender mejor este concepto analizando el agua pura, H2O. El
agua pura se ioniza en partes iguales de iones hidrógeno (H+) y oxhidrilos
(OH–). La constante de ionización para el agua es la raíz cuadrada de 10–14,
es decir, 10–7. Dado que el agua se ioniza en partes iguales de iones
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:4
hidrógeno y oxhidrilos, el pH 7 (como resultado de la aplicación de la
definición de pH) representa una solución neutra.
En la Figura 2.3 se muestra la escala de pH. El punto neutro es 7. Las
soluciones ácidas tienen un pH menor que 7 y las alcalinas o básicas, un pH
mayor que 7. Como la escala de pH es logarítmica, por cada unidad de pH
el medio se vuelve diez veces más ácido o más alcalino. Un medio con un
pH de 6, por ejemplo, es diez veces más ácido que uno con un pH de 7.
Neutro pH = 7
Acido pH < 7
Alcalino pH > 7
0
Acido
7
14
Neutro
Alcalino
pH = - log [H+]
Figura 2.3 pH Ácido y Alcalino
En el trabajo de corrosión y protección catódica es importante comprender
el concepto de pH. Para muchos metales, la velocidad de corrosión aumenta
considerablemente con pHs menores que 4. Entre 4 y 8, la velocidad de
corrosión es relativamente independiente del pH. Por encima de 8, el medio
se vuelve pasivo y las velocidades de corrosión tienden a disminuir. Esto se
muestra en la Figura 2.4, donde se ve el típico comportamiento del acero.
Por otra parte, la velocidad de corrosión del aluminio y del plomo tiende a
aumentar en medios con pH de más de 8. Esto se debe a que, para estos
metales, la película protectora de óxidos se disuelve en medios fuertemente
ácidos y alcalinos, y los metales se corroen. Los metales que se corroen a
niveles muy bajos o muy altos de pH se llaman metales anfóteros. La
Figura 2.4 ilustra este fenómeno.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:5
VELOCIDAD DE CORROSION
1
4
8
12
pH
ACERO
Figure 2-4A
1
4
pH
8
12
pH and Lead
Aluminum
ALUMINIO
PLOMO
FigureY2-7B
Figure 2-4B
Figura 2.4 Efecto del pH sobre la Velocidad de Corrosión
También es importante comprender los efectos del pH a la hora de aplicar
protección catódica. El pH del medio que rodea al cátodo (estructura a
proteger) se vuelve más alcalino debido a la producción de oxhidrilos o a la
remoción de iones hidrógeno. Esto es importante al trabajar con metales
anfóteros, dado que, si se aplica una protección catódica excesiva, puede
acelerarse su corrosión, debido al aumento de pH alrededor de la estructura.
Electroquímica Básica
La electroquímica es la rama de la química que estudia la transferencia de
cargas eléctricas en las reacciones químicas. Estas reacciones son
reacciones electroquímicas. Una parte de la electroquímica estudia las
reacciones en semiconductores, como transistores y diodos. La corrosión y
la protección catódica pertenecen a la rama de la electroquímica que se
ocupa de la transferencia de cargas en medios líquidos o acuosos.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:6
Oxidación y Reducción
Oxidación
Se llama oxidación a la pérdida de uno o más electrones en un átomo o en
una molécula, que pasa a ser un ion positivo. Toda vez que un átomo o una
molécula ceden electrones, ocurre una reacción de oxidación. El átomo o
molécula reducen entonces su carga negativa.
Por ejemplo, cuando un átomo neutro de hierro (Fe) se oxida, puede perder
dos o tres electrones, produciendo iones de hierro con carga positiva (Fe++ o
Fe+++), como se muestra en la Figura 2.5.
Fe → Fe++ + 2e–
Fe → Fe+++ + 3e–
ELECTROLITO
e-
Fe++
++
Fe++
Fe++ Fe
Fe+
+
Fe++
e- ee -e ee e- e
-
Fe++
++
Fe++ Fe
-
eee- ee- ee - ee
ÁNODO
Figura 2.5 Proceso Anódico (reacción parcial)
El electrodo o el sitio sobre el metal donde se verifica la oxidación, se llama
ánodo.
Nota: El término oxidación no está necesariamente relacionado con el
oxígeno.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:7
Reducción
Se llama reducción a la ganancia de uno o más electrones por parte de un
átomo o molécula, que pasa a ser un ion con carga negativa o un elemento
neutro.
Toda vez que un átomo o molécula ganan electrones, ocurre una reacción
de reducción. El átomo o molécula aumenta su carga negativa.
Por ejemplo, cuando se reduce un ion hidrógeno (H+), gana un electrón,
produciendo un átomo de hidrógeno neutro.
H+ + e– → H
El electrodo o el sitio sobre el metal donde se verifica la reducción se llama
cátodo. La Figura 2.6 muestra este proceso.
e- H
e- H2 2
H0
C ÁT O DO
H+
e - -H 0
e- e-e 0
H+
H
H+
ee- - H +
e
H+
e e+
e
H
e - e -H 0
H+
eH+
e
+
H
e0
H
E LE CTRO LI TO
Figura 2.6 Proceso Catódico (reacción parcial)
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:8
Circuitos Electroquímicos
En la Figura 2.7 se presenta una celda de corrosión electroquímica básica.
Todas las partes que constituyen dicha celda son analizadas a continuación.
Paso Metálico
e
Α
+ ions +
iones
iones
- ions
-
C
Electrolytic
Paso
Electrolítico
Path
Conventional
Current Flow
Flujo
Corriente Convencional
Figura 2.7 Pila de Corrosión Básica – Circuito Electroquímico
Electrolito
El electrolito es la solución que contiene los compuestos químicos
disueltos, que se disocian para formar iones.
Ionización
Además de los iones que pueden producirse por oxidación y reducción, en
el electrolito puede haber iones debidos a la disociación de moléculas
ionizadas. Cuando se las disuelve en agua, las moléculas de gran parte de
los compuestos inorgánicos y algunos compuestos orgánicos se disocian en
cationes (iones positivos) y aniones (iones negativos). Estos iones son
cargas que transportan corriente. Por lo tanto, los electrolitos más ionizados
tienen más conductividad.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:9
Celda de Corrosión
La corrosión es un proceso electroquímico relacionado con el flujo de
electrones e iones. La pérdida de metal (corrosión) ocurre en el ánodo. En
el cátodo no se pierde metal (el cátodo está protegido).
La corrosión electroquímica se relaciona con la transferencia de electrones
a través de las interfases metal/electrolito. La corrosión tiene lugar dentro
de una celda (o pila) de corrosión, que consiste en cuatro partes, como se
ilustra en la Figure 2.8.
•
•
•
•
Ánodo
Cátodo
Electrolito
Paso (o Camino) Metálico
Paso Metálico
e-
Α
iones +
iones -
C
Paso Electrolítico
Figura 2.8 Celda de Corrosión Básica
Reacciones Anódicas
La reacción química en el ánodo, la reacción anódica, es una reacción de
oxidación. La corrosión es el resultado de la reacción de oxidación en la
celda de corrosión. La oxidación es la pérdida de electrones como se
muestra en la siguiente reacción:
Mo → Mn+ + ne-
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:10
Donde n es el número de electrones.
Ejemplos de reacciones anódicas:
Feo
Alo
Hgo
Fe++ + 2e–
Al+++ + 3e–
Hg+ + 1e–
Reacciones Catódicas
La reacción química que tiene lugar en el cátodo, la reacción catódica, es
una reacción de reducción. La reducción es la ganancia de electrones. La
reacción catódica que efectivamente tiene lugar depende del electrolito. Las
que se describen a continuación son dos de las reacciones de reducción más
comunes que ocurren sobre la superficie del cátodo.
Reducción de Oxígeno -más común en medios neutros.
2H2O + O2 + 4e- → 4OH−
Reducción de Ion Hidrógeno –más común en medios ácidos.
H+ + e- → Ho
En el cátodo de una pila de corrosión, nunca hay corrosión.
Las celdas localizadas son ánodos y cátodos cercanos sobre una misma
estructura. Ver Figura 2.9.
ÁNODO
ÁNODO
CÁTODO
Figura 2.9 Típicas Celdas de Corrosión Localizadas sobre una
Estructura
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:11
Circuito Externo
El circuito externo lo forman las partes de un circuito electroquímico en las
que el movimiento de cargas es electrónico; es decir, concierne al
movimiento de electrones.
La corriente eléctrica producida por oxidación y reducción circula a través
del camino electrónico como movimiento de electrones. Los electrones
producidos en la reacción de oxidación circulan desde el ánodo hacia el
cátodo, suministrando los electrones que posibilitan la reacción de
reducción, como se muestra en la Figura 2.10.
e-
ee-
e-
e-
Flujo de Electrones
e- ee- e- ee- eCATHODE
CÁTODO
ELECTROLITO
+
+
+
+
e-
ee- e
ee- e- e-
e-
ANODE
ÁNODO
+
Figure 2.10 Circulación de Electrones e Iones
Transferencia de Cargas en el Electrolito
La transferencia de cargas a través del electrolito se realiza mediante el
movimiento de iones cargados, en lugar de la circulación de electrones en
un conductor metálico. Los iones con carga positiva (cationes) van del
ánodo al cátodo. (Nota: los iones no se depositan sobre el cátodo.) Los
iones con carga negativa (aniones) se mueven desde el cátodo hacia el
ánodo. Este tipo de transferencia de carga se llama circulación electrolítica
de corriente, graficada en la Figura 2.10.
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7/09
Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:12
Los iones son relativamente pesados y se mueven lentamente. Por lo tanto,
los electrolitos tienen resistividades mucho más elevadas que los metales.
Esta es la causa del fenómeno conocido como polarización.
Circulación Convencional de Corriente
La Figuras 2.10 muestra la circulación real de corriente electroquímica en
una pila de corrosión. Sin embargo, en el trabajo de corrosión y protección
catódica elegimos usar la circulación convencional de corriente. Esto es, la
circulación de corriente en la dirección en que se mueven los iones
positivos (llamada corriente positiva). Esto simplifica la comprensión de las
celdas de corrosión y el uso de protección catódica.
Uso de Voltímetros
La observación de la polaridad en la conexión al instrumento y el signo que
se presenta en el display del mismo permite la determinación de la
dirección del flujo de corriente convencional (corriente positiva)
Conexión del Voltímetro
Al medir el potencial a través de un determinado elemento de un circuito, el
voltímetro se conecta en paralelo con dicho elemento. Al realizar una
conexión en paralelo, no se interrumpe el circuito. Por ejemplo, el
voltímetro de la Figura 2.11 se conecta en paralelo a la resistencia B del
circuito externo.
E
+
_
VOLTIOS
I
RA
_
RB
RC
+
Conexión en Paralelo
Figura 2.11 La Conexión del Voltímetro es una Conexión en
Paralelo
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:13
La corriente, I, del circuito externo no circula a través del voltímetro para
completar el circuito, por lo que decimos que el voltímetro está en paralelo
y no en serie con el circuito. Todas las mediciones de voltaje se realizan en
paralelo.
En los relevamientos de protección catódica hay muchas mediciones de
voltaje tales como:
•
•
•
•
•
Voltaje impulsor de un sistema de ánodos galvánicos
Tensión de salida del rectificador
Potencial estructura-electrolito
Caída de potencial a través de un tramo de tubería
Caída de potencial en un shunt para medición de corriente
Como cualquier otra medición, una medición de voltaje debe hacerse
teniendo en mente un valor anticipado que incluya la magnitud, el signo y
las unidades, para evitar errores en la conexión y en la lectura de los
instrumentos, y para no pasar por alto problemas en el sistema.
Polaridad
La mayor parte de los instrumentos digitales muestran un signo negativo
para los valores negativos, y ningún signo para los valores positivos. Al
conectar un voltímetro a un elemento metálico, como un cable o una tubería
con circulación externa de corriente, la lectura es positiva siempre y cuando
el terminal positivo del voltímetro esté conectado como se muestra en la
Figura 2.12.
20
+
MV
La medición de voltaje es positiva
_
ie nte
Corr
Figura 2.12 Dirección de la Corriente
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7/09
Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:14
Al medir la diferencia de potencial entre dos metales distintos, el signo de
la lectura será positivo si el terminal positivo del voltímetro está conectado
al metal más noble, como se muestra en la Figura 2.13.
.600 V
+
_
La medición
de voltaje es
positiva
Activo
Noble
Figura 2.13 Medición de Voltaje de un Metal Noble y un Metal Activo
Inmersos en un Electrolito
Convención de Signos
Para obtener una lectura positiva en un instrumento digital (o un
movimiento de la aguja hacia la derecha en un instrumento analógico), la
corriente convencional debe circular hacia el terminal positivo (+). Como
hoy en día casi todos los instrumentos son digitales, con polaridad
automática, la persona encargada de las mediciones no debe preocuparse
tanto por el signo al conectar el voltímetro. Sin embargo, sigue siendo
importante prestar atención a la conexión de los terminales del instrumento
y al signo que se prevé obtener, para poder detectar cualquier problema
durante un relevamiento.
Si el voltímetro se conecta en forma tal que el terminal positivo esté
conectado al metal más noble y el terminal negativo al metal más activo, la
lectura será positiva. La corriente circulará del metal activo hacia el metal
noble a través del electrolito y del metal más noble al metal más activo a
través del pasaje metálico. Por lo tanto, la lectura es positiva porque la
corriente convencional está ingresando por el terminal positivo del
voltímetro.
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7/09
Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:15
Las lecturas estructura-electrolito se consideran negativas con respecto al
electrodo de referencia. Cuando se usa un voltímetro digital, el electrodo de
referencia se conecta al terminal negativo. De esta forma, se obtiene una
lectura negativa. En un voltímetro analógico, la aguja se mueve hacia la
derecha cuando la corriente ingresa por el terminal positivo. Al usar un
medidor digital con cero en el centro, si se conecta el electrodo de
referencia al terminal negativo, la aguja se moverá hacia la izquierda,
indicando una lectura negativa. Si el cero del instrumento está en el
extremo izquierdo, aún puede conectarse el electrodo de referencia al
terminal negativo, pero será necesario accionar el interruptor que invierte la
polaridad. El instrumento medirá así hacia la derecha, pero la posición del
interruptor indicará que la lectura es negativa.
Electrodos de Referencia (Hemi-Pilas o HemiCeldas)
General
Los electrodos de referencia, o hemi-pilas, son instrumentos importantes
que permiten medir el potencial de una superficie metálica expuesta a un
electrolito. Por ejemplo, el potencial estructura-suelo.
Los potenciales estructura-suelo se miden con respecto a un electrodo.
Cuando se habla de potencial estructura-electrolito, por lo general se habla
en realidad del potencial medido entre la estructura y un electrodo de
referencia. El electrolito no tiene en sí mismo un valor de potencial contra
el cual se pueda medir el potencial de una estructura independientemente
del potencial del electrodo de referencia utilizado. Por lo tanto, antes de
analizar cómo medir potenciales a lo largo de una estructura, debemos
hablar de los electrodos de referencia.
Existen varios de uso común, pero todos ellos se relacionan con un standard
básico, que consiste en una hemi-pila, representada por un electrodo
platinado sobre el cual se burbujea gas hidrógeno, inmerso en una solución
ácida con una determinada concentración de iones hidrógeno. Si
arbitrariamente asignamos al potencial de este electrodo platinizado el valor
de cero en una escala de potenciales, los potenciales de todos los otros
metales pueden ser referidos a este electrodo.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:16
Sin embargo, este electrodo standard de hidrógeno es bastante incómodo
para utilizar en la mayoría de las mediciones que se realizan en campo, por
lo que generalmente se utilizan otros electrodos. Lo importante es que la
pila de referencia sea estable y capaz de generar datos reproducibles.
Electrodo de Cobre-Sulfato de Cobre
Los electrodos de referencia de cobre-sulfato de cobre (CSE) son los más
usados para medir potenciales de estructuras enterradas y estructuras
expuestas a aguas dulces. El electrodo está compuesto de una barra de
cobre, inmersa en una solución saturada de sulfato de cobre, dentro de un
cilindro no-conductor con un tapón poroso, como se muestra en las Figuras
2.14 y 2.15. Los iones cobre de la solución saturada evitan que la barra de
cobre se corroa y estabilizan el electrodo de referencia. Este electrodo es
portátil.
Conexión
para Cable
Varilla de
Cobre
Ventana
Tapón
Solucion Saturada
Sulfato Cobre
Cristal
Sulfato Cobre
Figura 2.14 Electrodo de Referencia de Cobre-Sulfato de Cobre en
Contacto con la Tierra
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2:17
Figura 2.15 Electrodos de Referencia Portátiles de Cobre-Sulfato de
Cobre
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2:18
Uso y Cuidado de los Electrodos de Referencia de Cobre-Sulfato de
Cobre
• Mantenerlos limpios.
• Dejar puesto el capuchón de plástico o goma sobre el tapón poroso
cuando no se está utilizando el electrodo.
• Limpiar el tapón periódicamente para evitar que se taponen los poros.
• Mantener libre de contaminación. Periódicamente, cambiar el sulfato de
cobre y limpiar la barra de cobre con un material abrasivo no-metálico;
por ejemplo, papel esmeril de sílice y no papel de oxido de aluminio
para limpiar la barra. Si la solución se vuelve turbia, sacarla y
reemplazarla con una solución nueva de sulfato de cobre. Asegurarse de
que siempre haya cristales sin disolver en la solución; esto produce una
solución súper-saturada, en la que el cobre no se corroe y se mantiene
estable. Realizar el mantenimiento después de utilizar el electrodo en
situaciones en que pueda contaminarse (por ejemplo, agua salada). La
contaminación con cloruros cambia las reacciones químicas y el
potencial de referencia disminuye, con un error de –20 mV a
concentraciones de 5 ppm y –95 mV a concentraciones de 10 ppm.
• Tenga siempre electrodos de repuesto a mano, ya que pueden perderse y
es bueno tener electrodos extra para poder seguir trabajando.
• Tenga un electrodo sin usar en la oficina para poder calibrar los
electrodos que se usan en el campo. Limpie estos últimos si la diferencia
entre su potencial y el del electrodo sin usar es mayor que 5 mV.
• Corrija las variaciones de potencial debidas a la temperatura y la luz
solar. Al realizar las mediciones, registre la temperatura en caso de ser
necesaria cualquier corrección. Cuando la temperatura de medición es
mayor o menor que la temperatura ambiente, debe sumarse o restarse,
según el caso, una corrección de 0.5 mV/°F o 0.9 mV/°C.
• Proteja el electrodo de la luz solar directa mientras realiza las
mediciones (por ejemplo, por ejemplo, coloque cinta adhesiva oscura
sobre la franja transparente al costado del electrodo). El potencial de un
electrodo de referencia al sol puede ser de 10 a 50 mV menor que el de
uno que se mantiene en la oscuridad.
EXPERIMENTO 2.1 y EXPERIMENTO 2.2
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:19
Fuerza Impulsora de la Corrosión
A esta altura ya sabemos que la corrosión es un proceso en el cual la
corriente circula desde una superficie metálica, el ánodo, hacia el
electrolito, y del electrolito a una segunda superficie metálica, el cátodo.
Ahora la pregunta es: “¿Qué hace que circule la corriente?”
El flujo de corriente es similar al flujo de agua. El agua circula siempre que
haya una diferencia de altura entre el punto de partida y el punto de llegada.
Ver Figura 2.16.
ua
Ag
de
Diferencia de Altura
o
uj
Fl
Dirección
del
Figura 2.16 La Diferencia de Altura Hace que el Agua Circule
En la misma forma, la corriente circulará de un punto a otro si existe una
diferencia de potencial entre estos dos puntos. Esta diferencia de potencial
puede generarse por reacciones naturales o por reacciones producidas por
corrientes vagabundas, como se analiza en la sección “Causas de la
Corrosión”. Para que la corriente circule en una pila de corrosión, tiene que
haber una diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:20
Velocidad de Corrosión
Ley de Faraday
La Ley de Faraday relaciona el peso de metal perdido en una celda de
corrosión, con el tiempo y la corriente. La ley está expresada por la siguiente
fórmula:
Wt = KIT = kg
donde
Wt
K
I
T
=
=
=
=
peso perdido, kg
equivalente electroquímica, kg/Amp-año
Amps
años
En la Tabla 2.1 se muestran los valores de ‘K’ (en kg/A-año y libras/A-año)
para algunos metales comunes.
Tabla 2.1 Velocidad de Consumo (K) para Varios Metales (1)
Metal
Kg/A-año Libra/A-año
Carbón
Aluminio
Magnesio
Hierro/Acero
Hierro Alto Silicio/Cromo
Níquel
Cobre (Monovalente)
Zinc
Estaño
Plomo
1.3
3.0
4.0
9.1
0.5
9.6
20.8
10.7
19.4
33.9
(1)
2.86
6.5
8.8
20.1
1.0
21.2
45.8
23.6
42.8
74.7
Basado en la Tabla 2, Capítulo 2, Basic Course manual, Appalachian Underground Corrosion Short
Course
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:21
Por ejemplo, si un trozo de acero descargara 875 mA por un período de
cuatro años, ¿cuánto metal se perdería?
Wt = KIT = kg
K = A partir de la Tabla 2.1, la velocidad de pérdida es de 9.1 kg/A-año
I = 875 mA = 0.875A
T = Por lo tanto, la pérdida en 4 años sería de:
9.1kg/A-año x 0.875A x 4 años = 31.9kg = 70.3 libras
Si el pedazo de acero es lo suficientemente grande, la pérdida será
insignificante. Pero si el acero está revestido, la corrosión ocurre sólo en los
holidays (fallas en el revestimiento), generando penetraciones graves en el
corto período de cuatro años.
La Ley de Faraday también es muy útil para determinar la vida útil
estimada de los ánodos de protección catódica. Sabiendo cuál es el material
anódico y el drenaje anticipado para un año, puede calcularse la expectativa
de vida útil de un ánodo. Estos cálculos van más allá del objetivo de este
curso, pero se analizan en detalle en los cursos avanzados de protección
catódica.
Polarización
La polarización es la modificación del potencial a circuito abierto de un
electrodo, como resultado del pasaje de corriente. Hay dos tipos principales
de polarización.
• Polarización por Concentración – relacionada con la cantidad de
determinados iones cercanos a la superficie de un ánodo o un cátodo.
• Polarización de Activación – relacionada con la energía requerida por la
reacción de oxidación o reducción.
Para entender la corrosión y la protección catódica, es necesario tener
conocimiento de los fundamentos de electricidad, química y electroquímica.
A medida que la corriente circula a lo largo de un período de tiempo, hay
polarización tanto en el ánodo como en el cátodo. La polarización
disminuye la diferencia de potencial entre las superficies anódica y
catódica, causando una reducción en la corriente de corrosión y en la
velocidad de corrosión.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:22
La despolarización tiene efectos contrarios a los de la polarización. Algunos
agentes despolarizadores son:
• Oxígeno disuelto
• Actividad microbiológica
• Circulación de agua
Cuando existe un balance entre los efectos polarizadores y
despolarizadores, se alcanza el equilibrio. La diferencia de potencial y la
corriente de corrosión entre el ánodo y el cátodo alcanzan un estado
estacionario. La velocidad de corrosión es una función de esta corriente
final.
Factores que Afectan la Velocidad de la
Corrosión
Relación Ánodo/Cátodo
Las superficies relativas de ánodo y cátodo en una celda de corrosión puede
afectar en gran medida la velocidad a la que se corroe el ánodo. Si la
superficie anódica es pequeña con respecto a la superficie catódica (por
ejemplo, un remache de acero en una plancha de cobre), el ánodo se
corroerá rápidamente. Esto se debe a que la corrosión está concentrada en
una superficie pequeña (con una elevada densidad de corriente). Además,
un cátodo grande no se polariza con tanta facilidad, manteniendo así una
velocidad de corrosión elevada.
Cuando se conecta un cátodo pequeño a un ánodo grande (remache de
cobre en una plancha de acero, por ejemplo), la densidad de corriente de
corrosión en el ánodo (acero) es mucho menor que en el caso citado más
arriba, y el ánodo se corroe más lentamente. La polarización también puede
jugar un papel importante. El cátodo pequeño se polarizará rápidamente,
reduciendo la corriente de corrosión.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:23
Influencia del Medio
Contenido de Humedad
La corrosión electrolítica requiere de la presencia de humedad. Un medio
completamente seco no permite este tipo de corrosión. Una superficie de
metal húmeda y bien aireada puede corroerse más rápidamente que una
superficie completamente sumergida. Ejemplo de esto es la zona salpicada de
los pilotes de acero sumergidos. En este caso, la reacción catódica principal es
la reducción de oxígeno, y la reacción anódica es la corrosión del acero. Los
ánodos y cátodos están muy cerca y la corrosión se caracteriza por la pérdida
general de metal.
En la corrosión de estructuras enterradas, generalmente un alto contenido de
humedad equivale a mayor velocidad de corrosión. Sin embargo, la situación
más agresiva no es necesariamente la inmersión total (suelo saturado).
Generalmente, las arcillas son deficientes en contenido de oxígeno, y en
suelos mixtos, las superficies de la estructura en contacto con la arcilla se
convierten en ánodos de una celda de concentración de oxígeno, donde es la
diferencia en la cantidad de oxígeno disponible la que produce la energía
eléctrica que genera la corrosión.
Conductividad
La cantidad de corriente que circula por un electrolito se ve afectada por el
contenido de iones. A mayor cantidad de iones, mayor será la conductividad;
a mayor conductividad, mayor corriente para el mismo voltaje; y a mayor
corriente, mayor velocidad de corrosión. La conductividad es el valor
recíproco de la resistividad. La unidad es Siemen-cm (mho-cm).
La conductividad y la resistividad son parámetros importantes para estudiar la
corrosión y su prevención. Una elevada conductividad no significa
necesariamente un medio corrosivo, sólo indica una mayor capacidad para
transportar corriente.
Actividad Química
La actividad química del electrolito suministra las reacciones Redox
(Reducción-Oxidación) necesarias a una celda de corrosión. Algunos de los
compuestos químicos presentes en un electrolito pueden ayudar a retardar la
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:24
acción química por la formación de películas protectoras. Por ejemplo, los
carbonatos pueden llevar a que se forme una película protectora sobre el zinc;
en estos medios, las estructuras galvanizadas pueden no sufrir ninguna
corrosión. Sin embargo, allí donde el galvanizado se rompe, el acero puede
corroerse rápidamente, ya que tendrá un potencial más activo que la película
de carbonato de zinc. La pasivación también puede hacer que los ánodos de
zinc dejen de funcionar como tales.
El pH es de particular importancia, ya que expresa la concentración de iones
hidrógeno en el electrolito. A mayor concentración de iones hidrógeno, menor
pH. Los iones hidrógeno aceptan electrones con mucha facilidad cuando están
en contacto con metales más electroquímicamente activos que el hidrógeno.
Por ejemplo, el magnesio, aluminio, zinc, hierro y plomo son más activos que
el hidrógeno. Otros metales, como el cobre, son menos activos (más nobles)
que el hidrógeno. Así, en un ambiente ácido, los metales menos nobles que el
hidrógeno se corroerán, y los más nobles no.
Los medios muy alcalinos, con pH mayor que 8, pueden causar la corrosión
acelerada de metales anfóteros como el aluminio y el plomo.
Causas de la Corrosión
General
En casi todos los casos, la corrosión puede ser dividida en dos tipos—una
reacción espontánea o una reacción por existencia de corrientes
vagabundas. La corrosión natural o espontánea se debe a la acción
localizada de celdas sobre la superficie de la estructura. Estas celdas se
originan por las diferencias de potencial causadas por factores como
irregularidades en la superficie, cáscara de laminación, concentraciones de
oxígeno, diferencias en el electrolito alrededor de la estructura, y otros. Las
reacciones por la existencia de corrientes vagabundas ocurren cuando una
fuente de corriente, externa a la estructura, provoca corrosión en la misma.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:25
Corrosión Espontánea
Metales Distintos (Corrosión Galvánica)
El mismo metal puede ser la fuente para la aparición de un voltaje impulsor
de una celda de corrosión. Una diferencia de potencial puede deberse a las
diferencias en los niveles naturales de energía de los diferentes metales o a
variaciones de composición en la aleación.
En la naturaleza, los metales se encuentran en forma de compuestos
químicos llamados piritas. Una vez que se extrae los minerales, se extrae el
componente metálico de la piedra y se lo refina para producir un estado lo
más puro posible del metal. Para transformar las piritas en metales se
utilizan varios procesos—mecánicos, químicos y eléctricos—. Más allá del
proceso en sí, durante la transformación el metal absorbe energía. La
cantidad de energía requerida por un metal durante el proceso de refinación
determina su potencial o grado de actividad. El potencial es relativamente
alto para metales como el magnesio, aluminio y hierro, y relativamente bajo
para metales como el cobre y la plata.
La serie galvánica es una forma útil de ordenar los metales según su
actividad. Esta serie se basa en los metales en agua de mar, pero se aplica a
metales en agua dulce y enterrados. Esta serie se muestra en la Tabla 2.2.
Los potenciales son aproximados, ya que varían según el medio, y están
referidos a un electrodo de referencia de plata/cloruro de plata y
cobre/sulfato de cobre. Este último se utiliza generalmente en agua dulce y
estructuras enterradas, el primero, en agua de mar.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:26
Tabla 2.2. Serie Galvánica Práctica
Metal
Voltios vs. CuVoltios vs. AgCuSO4
AgCl
Extremo Anódico o Activo
Magnesio
–1.60 a –1.75
–1.59 a –1.74
Zinc
–1.10
–1.09
Aluminio
–1.05
–1.04
Acero al Carbono
–0.50 a –0.80
–0.49 a –0.79
Limpio
Acero al Carbono
–0.20 a –0.50
–.019 a –0.49
Oxidado
Hiero Dúctil
–0.50
–0.49
Plomo
–0.50
–0.49
Acero en Concreto –0.20
–0.19
Cobre
–0.20
–0.19
Hierro - Silicio
–0.20
–0.19
Carbón, Grafito
+0.30
+0.31
Extremo Noble o Catódico
Cuando se conectan dos metales diferentes, se genera un voltaje entre ellos.
El metal más activo (más cercano al extremo anódico) será el ánodo de la
celda.
Un ejemplo clásico de celda galvánica es la batería de una linterna, que se
muestra en la Figura 2.17. Consiste en una cubierta de zinc que contiene un
electrolito y una barra de carbón. Según la Tabla 2.2, la diferencia de
potencial entre los dos metales es de alrededor de 1.4 V (en realidad, 1.5 V en
la batería), y el zinc es el ánodo y el carbón el cátodo. Esta es una celda de
corrosión muy útil, ya que la corriente producida es utilizada en un circuito
externo de carga. En algún momento, la cubierta se corroerá—todos hemos
visto pilas en esas condiciones.
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Figura 2.17 Batería de una Linterna como Ejemplo de una Celda
Galvánica
EXPERIMENTO 2.3
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2:27
Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:28
Aleación
En el proceso de fabricación de aleaciones, se forman bordes de grano. Al
igual que en diferentes metales, el borde de grano puede ser más activo o
más noble que el metal adyacente, generando una diferencia de potencial.
Además, el metal más activo utilizado en la aleación puede corroerse
dejando sólo el metal más noble. Esto se conoce como disolución selectiva
del metal más activo, como por ejemplo, el zinc en los bronces
(dezincificación).
Tensiones Mecánicas
Cuando un metal sufre una tensión mecánica, la zona con mayor tensión
generalmente es la más activa y se convierte en el ánodo de una celda de
corrosión.
Diferencias de Temperatura en el Metal
Si hay partes de la estructura a distintas temperaturas, la zona con mayor
temperatura generalmente es más activa y se convierte en el ánodo de una
celda de corrosión.
Diferencias de Temperatura en el Electrolito
Si existen diferencias de temperatura en el electrolito, la zona de metal que
está en contacto con la temperatura más elevada generalmente es más activa
y se convierte en el ánodo de una celda de corrosión.
Distintos Suelos
Los distintos suelos, como arcilla y arena, pueden generar corrosión, debido
a la diferencia en sus resistividades (valor recíproco de la conductividad) y
en su contenido de oxígeno. El metal en contacto con el suelo de menor
resistividad generalmente es más activo y se convierte en el ánodo de una
celda de corrosión.
Celda de Concentración de Oxígeno
Un metal expuesto a distintas concentraciones de oxígeno puede
experimentar una diferencia de voltaje. El metal cercano a la mayor
concentración de oxígeno es más noble, o catódico, dado que el oxígeno es
un reactivo catódico.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:29
Celda por Concentración de Iones Metálicos
A mayor concentración de iones metálicos del mismo metal que la
estructura adyacente, más noble será el metal. Para iones metálicos de metal
diferente, el efecto puede ser difícil de determinar. Cuando hay presente
una sal simple que no contiene un ion metálico, la superficie del metal en la
zona de mayor concentración de sal será el ánodo.
Influencias Microbiológicas
La corrosión inducida microbiológicamente (MIC) es muy común. Hay
muchas bacterias que intervienen en las reacciones Redox. Algunas de ellas
viven sólo en ambientes libres de oxígeno: se las conoce como anaeróbicas.
Otras prosperan en condiciones aireadas y forman ácidos. Si bien las bacterias
no atacan los metales directamente, éstos intervienen en las reacciones Redox
producidas por el metabolismo de las bacterias.
Un ejemplo de gran importancia de MIC es la bacteria reductora de sulfatos
(SRB), que puede acelerar la corrosión de tubos en medios arcillosos. En el
ciclo total, el metal se oxida y el azufre, generalmente presente en los suelos
en forma de sulfatos, se reduce a sulfuro. La bacteria sirve como
intermediaria para esta reacción. Su presencia puede aumentar
significativamente la corrosión en medios que serían relativamente benignos.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:30
Experimento 2.1– Potenciales de Electrodos
Metálicos en Agua Corriente
_
+
V
Placa Metálica
Agua Corriente en Cuba
Electrodo Referencia
Experimento para Medir el Voltaje de Electrodos de Distintos Metales
con Respecto al Electrodo de Referencia de Cobre/Sulfato de Cobre
PROCEDIMIENTO
1. Coloque el cobre, acero, zinc y magnesio dentro de la cuba, sin que se
toquen.
2. Agregue 4 centímetros de altura de agua de la canilla en la bandeja.
3. Coloque el instrumento para medir en la escala de V (DC).
4. Conecte el cable negativo del medidor al electrodo de referencia.
5. Conecte el cable positivo del medidor al metal a medir.
6. Coloque el electrodo de referencia cerca del cobre y registre el potencial
del cobre.
7. Coloque el electrodo de referencia cerca del acero y registre el potencial
del acero.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:31
8. Coloque el electrodo de referencia cerca del zinc y registre el potencial
del zinc.
9. Coloque el electrodo de referencia cerca del magnesio y registre el
potencial del magnesio.
Resultados
Metal
Cobre
Acero
Zinc
Magnesio
Posición del
Electrodo de
Referencia
Cerca del Cobre
Cerca del Acero
Cerca del Zinc
Cerca del
Magnesio
Potencial Anticipado
mV/CSE
Potencial
Medido
–100
–500
–1000
–1700
Conclusiones
1.
2.
3.
4.
El magnesio es más electronegativo que el cobre, el acero y el zinc.
El zinc es más electronegativo que el acero y el cobre.
El acero es más electronegativo que el cobre.
El cobre es más electropositivo que el acero, el zinc y el magnesio.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:32
Experimento 2.2–Celda de Corrosión
Paso A
V
Acero
Placa de Cobre
Agua Potable en la cuba
1. Coloque las piezas de cobre y de acero en extremos opuestos de la
bandeja.
2. Agregue 4 centímetros de altura de agua de la canilla en la bandeja.
3. Coloque el instrumento en escala V DC como se muestra en la próxima
página.
4. Conecte el instrumento a las muestras de metal como se indica más abajo.
Resultados
Cable Positivo del
Instrumento
Cobre
Cable Negativo Potencial
del Instrumento Anticipado mV
Acero
+400
Acero
Cobre
–400
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Potencial
Medido
Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:33
Conclusiones
1. El potencial inicial de la celda de corrosión es la diferencia de
potencial entre los potenciales de los electrodos a circuito abierto.
2. De los dos electrodos, el más electronegativo es el ánodo; el más
electropositivo, el cátodo. El potencial de la celda de corrosión puede
calcularse usando la siguiente expresión:
potencial de la celda = potencialcátodo – potencialánodo
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2:34
Paso B–Medición de Potencial
+
V
–
Placa de Cobre
–
V
+
Placa Acero
Agua Corriente
1. Conecte el cable positivo del voltímetro al cobre y el cable negativo a un
electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre.
2. Coloque el electrodo de referencia en el agua, en la interfase cobre/agua.
3. Registre el potencial.
4. Repita los pasos B1y B2 para el acero.
Resultados
Muestra Metálica
Cobre
Potencial
Acero
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
Conclusión
1. El acero es más electronegativo que el cobre.
2. La diferencia de potencial entre el acero y el cobre es igual a la que se
midió en el Paso A.
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2:35
Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:36
Paso C—Medición de Potencial Polarizado
10 ohm
Placa Acero
Electrodo Refer.
Placa Cobre
V
V
1. Conecte el acero al cobre a través de la resistencia de 10 ohmios.
2. Repita los pasos B1, B2 y B4.
Resultados
Muestra Metálica
Cobre
Potencial
Acero
Conclusiones
1. El potencial de la plancha de cobre es más electronegativo que en la Parte
B.
2. El potencial de la plancha de acero es igual o menos electronegativo.
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2:37
Paso D-Dirección de la Corriente en el Circuito Externo de una Celda de
Corrosión
_
+
V
10 Ω
Cobre
Acero
Agua corriente
1. Conecte el instrumento como se indica, a través de una resistencia de 10
ohmios entre los dos metales.
2. Registre la caída de potencial y anote la polaridad.
3. Evalúe la dirección de la corriente.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:38
Resultados
Cable Positivo
Instrumento
Cobre
del Cable Negativo
Instrumento
Acero
Acero
Cobre
Zinc
Acero
Acero
Zinc
Cobre
Zinc
Zinc
Cobre
Cable Positivo
del Instrumento
Cable Negativo
del Instrumento
del Caída Óhmica Medida
(mV)
Dirección de la
Corriente
Convencional en el
Circuito Externo
a
Cobre
Acero
Acero
Cobre
a
Zinc
Acero
a
Acero
Zinc
a
Cobre
Zinc
a
Zinc
Cobre
a
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¿Cuál de los
Metales es el
Ánodo?
Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:39
Conclusiones
1. La corriente convencional en el circuito externo va desde el cátodo
hacia el ánodo.
2. La dirección de la corriente en la resistencia indica que la dirección de
la corriente convencional en el circuito externo es desde el electrodo
menos electronegativo (cátodo) hacia el más electronegativo. Por lo
tanto, un electrodo de Fe/Fe++ puede actuar como ánodo o como
cátodo, dependiendo del otro electrodo al cual está conectado.
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Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:40
Experimento 2.3. Sentido de la Corriente en el
Electrolito en las Celdas de Corrosión
100 Ω
–
+
V
Placa Zinc
Electrodo
de refer.
Posición No. 1
Electrodo
de refer.
Posición No. 2
Placa Cobre
Agua Corriente
Experimento para Medir la Dirección en el Electrolito de las Corrientes
de la Celda de Corrosión
PROCEDIMIENTO
1.
2.
3.
4.
Coloque el zinc y el cobre a los costados de la bandeja.
Agregue 4 cm. de altura de agua de la canilla a la bandeja.
Coloque el instrumento en la escala V, DC.
Conecte el instrumento al zinc y al electrodo de referencia, como se indica
en la figura.
5. Registre el potencial del electrodo con el electrodo de referencia en las
dos posiciones que se indican en la figura.
6. Evalúe el sentido de la corriente.
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7/09
Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión
2:41
Resultados
Cable Positivo del
Instrumento
Zinc
Cable Negativo del
Instrumento
Posición #1
Zinc
Posición #2
Potencial Medido
(mV/CSE)
La corriente convencional pasará de las zonas más negativas del electrolito a
las más positivas, como se indica en las lecturas de potencial en las distintas
posiciones del electrodo de referencia.
Conclusión
1. La corriente convencional en el circuito electrolítico va desde el
ánodo hacia el cátodo.
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Capítulo 2 Apéndice 1
Mantenimiento de la Celda de Referencia
Las celdas de referencia requieren atención si:
1.
2.
3.
4.
La solución es turbia o parece contaminada; o
La varilla de cobre no aparece clara y brillante; o
No se ven los cristales de sulfato de cobre; o
Al compararla con una celda standard, se verifica una diferencia de potencial
significativa
Celdas Contaminadas
Para recuperar los electrodos de referencia para un correcto funcionamiento, siga los
siguientes pasos:
1. Retire el filtro, el vástago y la tapa, y deseche correctamente el fluido
contenido en la celda.
2. Limpie la varilla de cobre con un material abrasivo no metálico (papel de lija),
hasta que quede clara y brillante.
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3. Vuelva a colocar el vástago y la tapa.
4. Vierta cristales de sulfato de cobre hasta ½ ó ¾ de pulgada del fondo de la
celda. No rellene la celda más allá de ¼ de su volumen.
5. Vierta agua destilada o solución de sulfato de cobre (aprobada para el uso en
celdas de referencia) justo por debajo de la rosca de la celda.
6. Rearme y atornille un filtro previamente embebido en agua destilada.
7. Agite la celda varias veces, para mezclar la solución con los cristales de
sulfato de cobre.
8. Mantenga el fluido de manera tal que el 95% de la celda esté lleno.
9.
Mantenga la celda de manera tal que siempre se vean cristales de sulfato de
cobre en la solución.
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Capítulo 2 Apéndice 2
Conversiones y Definiciones
FEM
Eoe
Vov
mV o mv
μV o μv
Ioi
mA o ma
μA o μa
R, r o Ω
fuerza electromotriz – cualquier unidad de voltaje
cualquier unidad de voltaje
voltios
milivoltios
microvoltios
cualquier unidad de amperaje
miliamperios o miliamps
microamperios o microamps
Resistencia
1,000,000 voltios
1,000 voltios
1.0 voltio
0.100 voltio
0.010 voltio
0.001 voltio
0.000001 voltio
=
1 megavoltio
=
1 kilovoltio
= 1000 milivoltios
= 100 milivoltios
= 10 milivoltios
=
1 milivoltio
=
1 microvoltio
1,000,000 amperios
1,000 amperios
1.0 amperio
0.100 amperio
0.010 amperio
0.001 amperio
0.000001 amperio
=
1 mega-amperio
=
1 kiloamperio
= 1000 miliamperios
= 100 miliamperios
= 10 miliamperios
=
1 miliamperio
=
1 microamperio
1,000,000 ohmios
1,000 ohmios
1.0 ohmios
0.100 ohmio
0.010 ohmio
0.001 ohmio
0.000001 ohmio
=
1 mega-ohmio
=
1 kilo-ohmio
= 1000 miliohmios
= 100 miliohmios
= 10 miliohmios
=
1 miliohmio
=
1 micro-ohmio
1 metro
1 metro
= 100 cm
= 1000 mm
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La resistividad es constante para cada material, y se calcula mediante la fórmula:
ρ= R x A
L
Donde
ρ, Resistividad en Ω-cm
R, Resistencia en Ω
A, Superficie transversal en cm2
L, Longitud en cm
Usando el método de Wenner, la resistividad del suelo se determina mediante:
ρ=2πaR
Donde ρ, resistividad en ohm-cm
π, pi, 3.14
a, separación entre puntas (cm)
R, resistencia medida (Ω)
O
ρ=191.5aR
Donde ρ, resistividad in Ω-cm
a, separación entre puntas (pies)
R, resistencia medida (Ω)
ρ, resistividad (Ω-cm)
Ley de Ohm
E = IR
I=E/R
R=E/I
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Capítulo 2 Apéndice 3
Conversiones Métricas Usuales para las Unidades Comúnmente
Usadas en Publicaciones Relacionadas con la Corrosión
U.S. Customary/Metric Conversion for Units of Measure
Commonly Used in Corrosion-Related Publications
1 A/ft2
1 acre
1 A·h/lb
1 bbl (oil, U.S.)
1 bpd (oil)
1 Btu
1 Btu/ft2
1 Btu/h
1 Btu/h·ft2
1 Btu/h·ft2·°F
1 Btu·in/h·ft2·°F
1 cfm
1 cup
1 cycle/s
1 ft
1 ft2
1 ft3
1 ft·lbf (energy)
1 ft·lbf (torque)
1 ft/s
1 gal (Imp.)
1 gal (U.S.)
1 gal (U.S.)/min (gpm)
1 gal/bag (U.S.)
1 grain
1 grain/ft3
1 grain/100 ft3
1 hp
1 microinch (µin)
1 in
1 in2
1 in3
1 in·lbf (torque)
1 inHg
= 10.76 A/m2
= 4,047 m2 = 0.4047 ha
= 2.205 A·h/kg
= 159 L = 0.159 m3
= 159 L/d = 0.159 m3/d
= 1,055 J
= 11,360 J/m2
= 0.2931 W
= 3.155 W/m2 (K-factor)
= 5.678 W/m2·K
= 0.1442 W/m·K
= 28.32 L/min = 0.02832 m3/min = 40.78 m3/d
= 236.6 mL = 0.2366 L
= 1 Hz
= 0.3048 m
= 0.0929 m2 = 929 cm2
= 0.02832 m3 = 28.32 L
= 1.356 J
= 1.356 N·m
= 0.3048 m/s
= 4.546 L = 0.004546 m3
= 3.785 L = 0.003785 m3
= 3.785 L/min = 0.2271 m3/h
= 89 mL/kg (water/cement ratio)
= 0.06480 g = 64.80 mg
= 2.288 g/m3
= 22.88 mg/m3
= 0.7457 kW
= 0.0254 µm = 25.4 nm
= 0.0254 m = 2.54 cm = 25.4 mm
= 6.452 cm2 = 645.2 mm2
= 16.387 cm3 = 0.01639 L
= 0.113 N·m
= 3.386 kPa
Units Not To Be Used—Convert to SI Units
Do Not Use
Value in SI Units
angstrom (Å)
are (a)
atmosphere, standard (atm)
atmosphere, technical (at)
bar
calorie (cal)
candle
candlepower (cp)
centipoise (cP)
centistokes (cSt)
dyne (dyn)
1 Å = 0.1 nm = 10–10 m
1 a = 1 dam2 = 100 m2
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1 atm = 101.325 kPa
1 at = 98.0665 kPa
1 bar = 100 kPa
1 cal = 4.184 J
1 candle = 1 cd
1 cp = 1 cd
1 cP = 0.001 Pa·s
1 cSt = 10-6 m2/s
1 dyn = 10–5 N
1 inH2O
1 knot
1 ksi
1 lb
1 lbf/ft2
1 lb/ft3
1 lb/100 gal (U.S.)
1 lb/1,000 bbl
1 mA/in2
1 mA/ft2
1 Mbpd (oil)
1 mile
1 square mile
1 mile (nautical)
1 mil
1 MMcfd
1 mph
1 mpy
1 oz
1 oz fluid (Imp.)
1 oz fluid (U.S.)
1 oz/ft2
1 oz/gal (U.S.)
1 psi
1 qt (Imp.)
1 qt (U.S.)
1 tablespoon (tbs)
1 teaspoon (tsp)
1 ton (short)
1 U.S. bag cement
1 yd
1 yd2
1 yd3
= 249.1 Pa
= 0.5144 m/s
= 6.895 MPa
= 453.6 g = 0.4536 kg
= 47.88 Pa
= 16.02 kg/m3
= 1.198 g/L
= 2.853 mg/L
= 0.155 mA/cm2
= 10.76 mA/m2
= 159 kL/d = 159 m3/d
= 1.609 km
= 2.590 km2
= 1.852 km
= 0.0254 mm = 25.4 µm
= 2.832 x 104 m3/d
= 1.609 km/h
= 0.0254 mm/y = 25.4 µm/y
= 28.35 g
= 28.41 mL
= 29.57 mL
= 2.993 Pa
= 7.49 g/L
= 0.006895 MPa = 6.895 kPa
= 1.1365 L
= 0.9464 L
= 14.79 mL
= 4.929 mL
= 907.2 kg
= 42.63 kg (94 lb)
= 0.9144 m
= 0.8361 m2
= 0.7646 m3
Do Not Use
Value in SI Units
erg (erg)
fermi (fermi)
gamma (γ)
gauss (G)
gon, grad, grade (gon)
kilocalorie (kcal)
kilogram·force (kgf)
kilogram·force per square millimeter (kgf/mm2)
langley (cal/cm2)
maxwell (Mx)
metric carat
metric horsepower
micron
millibar (mbar)
millimeter of mercury (mmHg)
millimeter, centimeter, or meter of water (mmH2O, etc.)
millimicron
mho
poise (P)
stokes (St)
torr (Torr)
γ (mass)
λ (volume)
1 erg = 10–7 J
1 fermi = 1 fm = 10–15 m
1 γ = 1 nT = 10–9 T
1 G = 10–4 T
1 gon = (π/200) rad
1 kcal = 4.184 kJ
1 kgf = 9.807 N
1 kgf/mm2 = 9.807 MPa
1 cal/cm2 = 41.84 kJ/m2 = 4.184 x 104 J/ m2
1 Mx = 10–8 Wb
1 carat = 200 mg = 2 x 10-4 kg
1 metric horsepower = 735.5 W
1 micron = 1 µm = 10–6 m
1 mbar = 100 Pa
1 mmHg = 133.3 Pa = 0.1333 kPa
1 mmH2O = 9.807 Pa, etc.
1 millimicron = 1 nm = 10–9 m
1 mho = 1 S
1 P = 0.1 Pa·s
1 St = 1 cm2/s = 10-4 m2/s
1 Torr = 133.3 Pa
1 γ = 1 µg = 10–9 kg
1 λ = 1 mm3 = 1 µL = 10–9 m3
Source: ASTM SI 10, “American National Standard for Use of the International System of Units (SI): The Modern
Metric System” (West Conshohocken, PA: ASTM International, 2002).
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CAPÍTULO 3
CONTROL DE LA CORROSIÓN EN ESTRUCTURAS
ENTERRADAS
Selección de Materiales
La corrosión tiene lugar como resultado de una diferencia de potencial entre
dos componentes de un sistema. Debe haber un ánodo y un cátodo. Si se
construye una estructura compleja con materiales cercanos en la serie
galvánica, se reduce la posibilidad de que existan diferencias de potencial; en
cambio, utilizar materiales muy separados en la serie galvánica (como acero y
cobre) puede crear una celda de corrosión. Cuando las consideraciones
mecánicas lo permiten, elija siempre materiales que no tengan o tengan la
menor cantidad posible de diferencia de potencial entre sí con respecto a un
electrolito común.
Los materiales no-metálicos también representan un papel importante en el
control de la corrosión. Sin embargo, en este curso no se verán materiales nometálicos, excepto aquéllos utilizados en aislaciones eléctricas.
Revestimientos Protectores
Estructuras Enterradas o Sumergidas
En la mayoría de los programas de control de corrosión, los revestimientos
constituyen la estrategia principal. Desgraciadamente, los revestimientos no
son perfectos, e incluso se acelera la corrosión en las fallas (holidays) del
revestimiento. Justamente, en estos casos se utiliza la protección catódica
para evitar la corrosión del sustrato en estos holidays.
El revestimiento también es importante en la ingeniería de protección
catódica. Si bien es posible proteger una estructura desnuda, también es
cierto que en una estructura revestida sólo hay que proteger el metal
expuesto en los holidays. Esto reduce drásticamente el tamaño y costo de
los sistemas de protección catódica. La inspección del revestimiento es
importante porque lo ideal es instalar la estructura con el revestimiento en
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CAPÍTULO 3
CONTROL DE LA CORROSIÓN EN ESTRUCTURAS
ENTERRADAS
las mejores condiciones posibles; de esta forma, el sistema de protección
catódica
funcionará
tal
como
ha
sido
diseñado
Tipos de Revestimientos para Estructuras
Enterradas Aplicados en Fábrica
Exposición a la Luz Solar
Por lo general, los revestimientos diseñados para tuberías enterradas no tienen
una buena resistencia a la luz ultravioleta. En consecuencia, debe evitarse
almacenar tubos revestidos al sol por períodos prolongados.
Barnices o Esmaltes Bituminosos
Estos revestimientos están compuestos por una base de alquitrán o asfalto
natural, reforzad con lana de vidrio y una envoltura de fieltro que
suministran una mayor fuerza mecánica y resistencia a impactos. El exterior
de la tubería se envuelve en papel kraft para protegerla durante el envío y la
instalación. Estos revestimientos se usan desde principios del siglo pasado,
pero cada vez son menos frecuentes debido a su toxicidad y los problemas
ambientales que acarrean. Las tuberías revestidas con barnices bituminosos
deben manejarse con cuidado para no dañar el revestimiento.
Poliolefinas y Polietileno Extruído
Estos sistemas de revestimiento consisten en poliolefinas o polietileno
extruídos sobre un adhesivo de base butílica o asfáltica. Tienen alta
resistencia a los impactos y a la aparición de holidays a lo largo del tiempo.
Cintas
La mayor parte de estos sistemas se aplican en frío. Consisten en un primer,
una capa interna de un elemento anticorrosivo sellador, con una capa exterior
de protección mecánica, generalmente polietileno o polibutileno. También
hay varios sistemas multi-capas disponibles. Hay que embalarlos y
manejarlos con cuidado para evitar daños, y son proclives al despegue
(disbonding) si la cinta no está lo suficientemente tensada.
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1/2010
Control de la Corrosión
3:3
Epoxi Fundido (FBE ó Fusion Bonded Epoxi)
Estos revestimientos consisten en una resina en polvo rociada sobre un tubo
a 400-500°F (204°C a 260°C). El espesor típico es de 12 a 15 mils (0.304
mm a 0.381 mm). Estos revestimientos ofrecen una buena adhesión al acero
y resisten bien los daños por impacto o abrasión. Las temperaturas de
operación varían entre los -40°F a 140°F (–40°C a 60°C). A largo plazo (10
a 15 años), la absorción de humedad puede ser un problema, por lo que los
requerimientos de protección catódica pueden aumentar con el tiempo.
Resinas Liquidas de Dos Componentes
Estos revestimientos consisten en una resina líquida, generalmente un
epoxi, y un agente de curado. Estos dos componentes se rocían sobre el
tubo en una proporción recomendada por el fabricante, generalmente en una
o dos capas para obtener un espesor final de entre 12 y 16 mils (0.304 mm a
0.406 mm). Estos revestimientos también son resistentes a los daños por
impactos y abrasión.
Uniones Soldadas y Otros Revestimientos de
Campo
Las juntas soldadas y otros accesorios deben revestirse en campo. Para este
procedimiento se usan distintos materiales, incluyendo mantas termocontraíbles, cintas de aplicación en frío o caliente, resinas líquidas de dos
componentes, masillas bituminosas y epoxi fundido. El revestimiento
seleccionado debe ser compatible con el revestimiento adyacente y tan
durable como el que ya tiene la propia estructura.
Deben tomarse varias precauciones para garantizar la aplicación de un
revestimiento en campo. Entre ellas:
Preparación de Superficie
Es esencial para que el revestimiento se adhiera correctamente al metal.
Cada tipo de revestimiento tiene requisitos específicos a seguir para la
preparación de la superficie.
Para cualquier revestimiento, la superficie debe estar limpia y seca. Muchas
veces esto puede lograrse con herramientas mecánicas pero en algunos
casos se requiere el uso de sopleteado con abrasivos y solventes.
Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza
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1/2010
Control de la Corrosión
3:4
Algunos revestimientos requieren un imprimador (primer) sobre la
superficie preparada antes de aplicar el revestimiento. La aplicación del
primer debe efectuarse según las especificaciones del fabricante y dejarse
secar hasta alcanzar la consistencia especificada antes de aplicar el
revestimiento externo.
Aplicación
Los revestimientos pueden aplicarse en frío o en caliente. Los más comunes
hoy en día para el trabajo de campo son los epoxis líquidos, las mantas
termocontraíbles y distintos tipos de cinta. Todos deben aplicarse según los
requerimientos del fabricante.
Procedimientos de Inspección
Inspección Inicial
Es necesario inspeccionar la preparación de superficie para asegurar que se
cumplan las especificaciones. Las condiciones ambientales como
temperatura, humedad y punto de rocío deben compararse con las
especificaciones del fabricante ó consultor, para asegurar que la superficie
se prepara y se aplica el revestimiento en una atmósfera adecuada para que
aquel funcione correctamente.
Inspecciones de Mantenimiento
Si bien el Inspector de Revestimientos Certificado por NACE es el que debe
realizar inspecciones detalladas, puede utilizarse al personal de protección
catódica para realizar una inspección visual del revestimiento. Esto puede
hacerse a simple vista, buscando signos de despegue (disbonding), daños,
grietas, fisuras, y cualquier otro tipo de deterioro.
El propósito de esta inspección es determinar la condición del revestimiento
para establecer si es necesario reacondicionarlo. Si se encuentra una porción
de revestimiento en malas condiciones, puede llegar a ser necesario
desenterrar más tubería para ver hasta dónde llega el deterioro.
.
Aislación Eléctrica
Los elementos de aislación eléctrica pueden usarse para separar diferentes
metales u otros componentes anódicos y catódicos en una celda de
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1/2010
Control de la Corrosión
3:5
corrosión. Insertando un material dieléctrico se interrumpe el camino
electrónico de la pila, aislando el ánodo del cátodo.
La aislación eléctrica es una parte importante del trabajo de protección
catódica y se analizará con más detalle en los siguientes capítulos.
Control Ambiental
En los medios acuosos pueden introducirse diversos químicos al agua o a la
corriente de cualquier fluido, para reducir la corrosividad con respecto al
metal expuesto. Se utilizan procedimientos similares en tuberías que
transportan gases o líquidos corrosivos.
Se ha aplicado el control ambiental a las instalaciones enterradas, pero el
éxito ha sido limitado. El uso efectivo del control ambiental se reduce
básicamente a líquidos en espacios limitados como tuberías, calderas y
tanques.
Inhibidores
Los inhibidores se añaden a los líquidos para cambiar sus características o
para formar películas protectoras sobre la superficie metálica. Algunos
inhibidores forman películas sobre las zonas anódicas o catódicas sobre la
superficie metálica. Otros, como los que se usan en los sistemas de agua
potable, depositan una película protectora sobre toda la superficie metálica.
El oxígeno, que representa un papel importante en las reacciones de
corrosión, puede controlarse mediante el agregado de secuestrantes de
oxígeno. Esto es de especial importancia en el tratamiento de agua en
calderas.
Ajuste del pH
El pH del agua modifica la capacidad de precipitar una incrustación
protectora. El control de pH se usa para producir un agua que no sea
agresiva a los tubos y recipientes metálicos con los que está en contacto.
Mantenimiento del Control Ambiental
Los inhibidores y cualquier otro tipo de control ambiental deben aplicarse
en las dosis apropiadas y mantenerse en forma adecuada. La corrosión
Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza
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1/2010
Control de la Corrosión
3:6
podrá evitarse dependiendo de la concentración de químicos en el líquido,
por lo que deben efectuarse ensayos y controles químicos en forma regular.
Protección Catódica
Este enfoque del control de corrosión, utilizando una corriente eléctrica, se
limita a los metales expuestos a un electrolito como suelo, agua y concreto.
No funciona en la atmósfera.
Frecuentemente, la protección catódica se utiliza junto con otros métodos
de control de corrosión, como revestimientos y aislación eléctrica.
Teoría
Sobre una superficie que se corroe, existen cientos de pilas de corrosión
locales, o microscópicas. La Figura 3.1 muestra una de estas pilas sobre la
superficie de una tubería. Existe una diferencia de potencial entre los ánodos
y cátodos de estas celdas; esta diferencia de potencial es la que produce la
corriente de corrosión.
Cátodo
Ánodo
Celda de Corrosión Microscópica
C ll sobre una Cañería
Figura 3.1 Celda de Corrosión Microscópica
En teoría, la protección catódica implica reducir a cero la diferencia de
potencial entre ánodos y cátodos localizados sobre una superficie metálica,
reduciendo a cero la corriente de corrosión. Esto se puede lograr generando
una corriente que ingrese a la estructura desde un ánodo externo, polarizando
los sitios catódicos en dirección electronegativa. A medida que los potenciales
de las zonas catódicas se polarizan acercándose a los de las zonas anódicas, se
reduce la corriente de corrosión. Cuando los potenciales de todas las zonas
catódicas alcanzan el potencial a circuito abierto de la zona anódica más
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1/2010
Control de la Corrosión
3:7
activa, desaparece la diferencia de potencial entre ánodos y cátodos
localizados y se detiene la corrosión.
En realidad, la protección catódica no elimina la corrosión. Lo que hace es
transferirla de la estructura a proteger, al ánodo(s) de protección catódica.
Así, la estructura se convierte en el cátodo de una celda de corrosión
artificial. La corrosión del metal se detiene una vez que la corriente de
protección catódica iguala o excede la corriente de corrosión. Esto se ilustra
en la Figura 3.2.
q
Cátodo
Electrolito
Conexión
Metálica
Ánodo
Corriente de Protección
Catódica Aplicada
Ánode de Proteccción Catódica
Figura 3.2 Protección Catódica de una Estructura
La corriente de protección catódica abandona el ánodo de protección
catódica, ingresa al electrolito y pasa en forma de iones a través del
electrolito hasta la superficie metálica. En el punto donde esta corriente
abandona el ánodo de protección catódica, tiene lugar una reacción anódica.
En el punto donde esta misma corriente ingresa a la superficie protegida,
tiene lugar una reacción catódica. Luego la corriente circula hacia la
conexión metálica y regresa al ánodo. Recuerde que estamos hablando de
flujo convencional de corriente (Ver Capítulo 2).
Definición
La protección catódica es la polarización catódica de todas las zonas con
potenciales nobles (cátodos) hasta el potencial más activo sobre la superficie
metálica. La protección catódica se alcanza convirtiendo la estructura en el
cátodo de un circuito de corriente continua. Se ajusta la circulación de
corriente para asegurar que el potencial polarizado es al menos tan activo
como el del sitio anódico más activo de la estructura.
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1/2010
Control de la Corrosión
3:8
Estructuras que Pueden Protegerse con
Protección Catódica
La mayor parte de las estructuras inmersas en un electrolito pueden ser
protegidas con protección catódica. Algunos ejemplos de estructuras a las
que generalmente se aplica protección catódica son:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Tuberías enterradas o sumergidas de acero, hierro, aluminio y
tuberías de hormigón pretensado (PCCP)
Tanques y tuberías enterradas
Fondos externos (tanto primarios como secundarios) de tanques de
almacenamiento a nivel
Interiores de tanques de agua
Cascos de barco
Tanques de balasto
Muelles
Tablestacado
Pilotes de fundación en tierra y en agua
Calzadas de puentes
Interiores de tanques de almacenamiento de agua caliente
Cajas y placas de tubos de intercambiadores de calor
Superficies internas de calentadores de crudo
Acero en hormigón reforzado
Cables de teléfono y cables eléctricos forrados con plomo o acero
Precaución: Existe la posibilidad de sobreproteger algunos materiales
como alambre de pretensado, plomo y aluminio. En aceros de alta
resistencia, una corriente de protección catódica elevada puede generar
fragilización por hidrógeno; en metales anfóteros, como aluminio o plomo,
puede incluso acelerar la corrosión.
Existen dos métodos para suministrar protección catódica a una estructura:
• Sistema de ánodos galvánicos
• Sistema de corriente impresa
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Control de la Corrosión
3:9
Sistemas de Ánodos Galvánicos
La protección catódica galvánica (o de sacrificio) hace uso práctico de la
corrosión de metales diversos. Es importante recordar que debe existir una
diferencia de potencial, o potencial impulsor entre un ánodo galvánico y la
estructura a proteger. El ánodo galvánico se conecta a la estructura
directamente o a través de una estación de medición, para poder
monitorearlo.
En la Figura 3.3 vemos un típico sistema de protección catódica con ánodos
galvánicos.
CURRENT
URE
UCT
R
T
S
CURRENT
ANODE
Figura 3.3 Protección Catódica con Ánodos Galvánicos
Ánodos
Estos metales se utilizan comúnmente como ánodos galvánicos:
• Aluminio
• Magnesio
• Zinc
EXPERIMENTO 3.1.
Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza
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Control de la Corrosión
1.
3:10
Aplicación de los Sistemas de Ánodos Galvánicos
Algunas de las condiciones en las que se utilizan sistemas de ánodos
galvánicos son:
• Cuando se requiere una corriente relativamente pequeña.
• Normalmente restringido a electrolitos de baja resistividad.
• Para suministrar protección catódica a una porción determinada de la
estructura. Algunos operadores instalan un ánodo galvánico en cada uno
de los puntos donde se repara una pérdida, en lugar de instalar un
sistema de protección catódica completo. Estos casos pueden darse en
sistemas de metal desnudo o pobremente revestido, en los que la
protección catódica completa sería poco práctica desde el punto de vista
del costo.
• Cuando se requiere corriente adicional en áreas problemáticas. Algunas
estructuras con sistemas de protección catódica por corriente impresa,
pueden tener algunos puntos en que se necesitan pequeñas cantidades de
corriente adicional, que pueden suministrarse con ánodos galvánicos.
Algunos ejemplos:
• Válvulas enterradas con revestimiento incompleto o malo
• Tubos camisa en corto que no pueden ser eliminados
• Secciones aisladas en las que el revestimiento está dañado
• Zonas en las que la pantalla eléctrica (electrical shielding) impide la
distribución efectiva de corriente desde sistemas de corriente impresa
lejanos
• En casos de interferencia catódica, si las condiciones lo permiten,
pueden instalarse ánodos galvánicos en el punto de descarga de la línea
ajena para revertir la corriente de interferencia
• Para suministrar protección catódica a estructuras cercanas a otras
estructuras enterradas, donde se hace difícil instalar un sistema por
corriente impresa sin generar un problema de interferencia por
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Control de la Corrosión
3:11
corrientes vagabundas. Los ánodos galvánicos pueden resultar una
opción económica en estas condiciones.
• Los ánodos galvánicos son muy usados para proteger la superficie
interna de cajas de intercambiadores de calor y otros recipientes.
También se usan dentro de recipientes para tratamiento del crudo,
dependiendo de la calidad del revestimiento interno y de la composición
química y temperatura de los fluidos.
• En estructuras off-shore se pueden usar grandes ánodos galvánicos para
proteger los componentes sumergidos.
Ventajas de los Ánodos Galvánicos
• No se necesita una fuente externa de energía.
• Pocos requerimientos de mantenimiento.
• Debido a que el drenaje de corriente es bajo, hay poca o ninguna
probabilidad de interferencia por corrientes vagabundas.
• Fáciles de instalar.
• En la mayoría de los casos, es fácil agregar más ánodos.
• Suministran una distribución de corriente uniforme.
• Costos mínimos de derechos de paso
Limitaciones de los Ánodos Galvánicos
• Poco drenaje de corriente y potencial de salida bajo.
• Por lo general, para estructuras mal revestidas se requieren muchos
ánodos.
• Pueden no ser efectivos en medios de alta resistividad.
• El costo por ampere es más elevado que en los sistemas por corriente
impresa, debido a la menor eficiencia (auto-consumo).
• Puede resultar difícil o muy caro reponer ánodos gastados.
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Control de la Corrosión
3:12
Componentes de los Sistemas Galvánicos
Ánodos
MAGNESIO
Los ánodos de magnesio están disponibles en dos tipos de aleación: una de
alto potencial, con un potencial de corrosión nominal de –1.75 V con respecto
a un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre, y una aleación de bajo
potencial con un potencial de corrosión nominal de –1.55 V con respecto a un
electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre. Generalmente, el magnesio
se usa en suelos y agua dulce.
ZINC
Los ánodos de zinc también vienen en dos versiones, una para uso en suelos
y otra para aplicaciones marítimas. El zinc puede ser susceptible de una
corrosión intergranular muy rápida a temperaturas mayores que 120°F
(49°C). A temperaturas mayores que 130°F (54°C), especialmente en
presencia de carbonatos, el zinc puede pasivarse, y el potencial de la
película pasiva puede ser más noble que el del acero, resultando en la
corrosión de este último.
ALUMINIO
Los ánodos de aluminio se usan principalmente en aplicaciones marítimas y
existen diversas aleaciones; las más comunes son las aleaciones con
mercurio e indio. La aleación con indio tiene un potencial de corrosión
ligeramente mayor, pero es menos eficiente que la aleación con mercurio.
Es preferible usar aluminio en las aplicaciones marítimas porque tiene una
velocidad de consumo mucho menor que la del zinc o el magnesio.
Los ánodos de aluminio no se usan en agua dulce, salvo como ánodos de
corriente impresa. No se utilizan en aplicaciones enterradas.
En las estructuras de hormigón reforzado se utiliza una aleación de
aluminio, zinc e indio como ánodo galvánico.
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Control de la Corrosión
3:13
Los ánodos de aluminio se usan mucho en recipientes que contienen
salmueras. Sin embargo, a temperaturas mayores que 120° F (49° C), puede
reducirse el drenaje de corriente.
EFICIENCIA DE LOS ÁNODOS GALVÁNICOS
La eficiencia de un ánodo galvánico depende de la aleación y del medio en
el que se instala. El consumo de cualquier metal es directamente
proporcional a la cantidad de corriente que drena desde su superficie. En los
ánodos galvánicos, parte de esta corriente es corriente de protección
catódica, y parte causada por las celdas de corrosión localizadas sobre su
superficie. La eficiencia del ánodo es el cociente entre el metal que se
consume produciendo corriente de protección catódica y la cantidad total de
metal consumido. Para el magnesio, la eficiencia anódica generalmente es
de alrededor del 50%, mientras que el zinc tiene una eficiencia del 90%.
Generalmente, la eficiencia de los ánodos de aluminio está en el orden del
90%, pero puede variar según el tipo de ánodo seleccionado y el medio en
el cual se lo instala.
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Control de la Corrosión
Especificaciones
Galvánicos
3:14
para
Sistemas
de
Ánodos
Tamaño y Formas
Los ánodos galvánicos se fabrican en diversos tamaños y formas. Para
aplicaciones marinas, con frecuencia los ánodos de aluminio tienen el
tamaño adecuado a la estructura. Los extremos de estos ánodos vienen
equipados con apéndices soldables para conectarlos eléctricamente a la
estructura.
En suelos, el tamaño y forma de los ánodos depende más bien de la
resistividad del suelo, el requerimiento de corriente y otras condiciones, que
no se relacionan con el tamaño de la estructura. Estos ánodos están
equipados con un cable aislado para realizar la conexión eléctrica. De esta
forma, la separación entre el ánodo y la estructura la determina el operador.
Otro componente requerido para la aplicación en suelos es el relleno
químico (backfill).
Relleno Químico (Backfill)
El relleno químico que se usa con los ánodos galvánicos consiste en un
75% de yeso (CaSO4), 20% de bentonita y 5% de sulfato de sodio. El
relleno químico que rodea a los ánodos de magnesio y zinc, provee un
medio uniforme que reduce el auto-consumo del ánodo. La composición
química del relleno hace que el ánodo funcione en forma más eficiente, ya
que reduce su polarización. Además, el relleno se hincha al humedecerse,
ajustándose al suelo a su alrededor, reduciendo así la resistencia del ánodo a
la tierra.
Los ánodos galvánicos pueden comprarse desnudos o pre-empacados con
su relleno químico. La bolsa plástica utilizada para preservar el conjunto
debe ser retirada antes de la instalación. Si no están pre-empacados con un
relleno químico especial, este relleno debe colocarse durante la instalación.
Conexión a las Estructuras
Los ánodos galvánicos deben tener una conexión directa con la estructura a
través de un conductor metálico. Esto se logra de una de las siguientes
maneras:
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Control de la Corrosión
3:15
• Usando alambre de cobre aislado, suministrado por el fabricante y
soldado o conectado de alguna otra manera a la estructura.
• Igual que en el punto anterior, pero a través de una estación de medición
instalada entre ánodo y estructura. Esta estación puede incluir una
resistencia variable para controlar la corriente o un shunt para medir el
drenaje de corriente.
• Con brazaletes que rodeen el tubo, conectados mediante una apéndice
(normalmente un cable forrado) soldado al tubo.
• Mediante una varilla de acero o una planchuela inserta en el ánodo, que
es luego soldada a la estructura.
Si el cable del ánodo galvánico tiene una falla en su aislación, el alambre de
cobre pasa a formar parte del circuito del cátodo, y recibe corriente de
protección catódica del ánodo galvanico. Debido a ello, se deberá tener
especial cuidado en dañar el cable del ánodo, para minimizar la pérdida de
corriente de protección catódica hacia la estructura.
Sistemas por Corriente Impresa
Un sistema por corriente impresa consiste en una fuente externa de energía y
ánodos. La fuente externa hace que la corriente circule desde el ánodo hacia
la estructura a través del electrolito. Los ánodos que se utilizan en un sistema
por corriente impresa generalmente están hechos de un material relativamente
inerte. El cobre expuesto en el cable positivo, empalmes o en las conexiones a
los ánodos, se corroerá rápidamente, por lo que esos componentes deberán ser
adecuadamente aislados e impermeabilizados. La Figura 3.4 muestra una
típica instalación por corriente impresa.
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E
TUR
C
U
S TR
CURRENT
Power
Source
-
+
CURRENT
CURRENT
Control de la Corrosión
ANODE
Figura 3.4 Típico sistema de protección catódica por Corriente Impresa
Ánodos
Los materiales que se usan como ánodos de corriente impresa incluyen:
• Grafito (carbón)
• Hierro con alto contenido de silicio y cromo
• Niobio y titanio revestidos con platino
• Aluminio
• Magnetita
• Titanio revestido con mixed metal oxide (mmo – óxidos metálicos
varios)
• Polímero conductor
• Hierro de rezago
• Plomo/Plata
Fuentes de Energía
La fuente de un sistema por corriente impresa genera corriente continua
(DC). Algunas de las fuentes que se usan en sistemas por corriente impresa
son:
•
•
•
•
•
Rectificadores
Paneles solares (fotovoltaicas)
Motogeneradores
Generadores Eólicos
Generadores Termoeléctricos
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Control de la Corrosión
3:17
Si hay corriente AC disponible a un precio razonable, los rectificadores
tienen claras ventajas económicas y operativas sobre las otras posibles
fuentes.
Aplicaciones de Protección Catódica por Corriente Impresa
Algunos usos comunes de los sistemas por corriente impresa son:
• Para grandes requerimientos de corriente, en especial para estructuras
desnudas o mal revestidas
• Para cualquier resistividad (del electrolito)
• Para proteger en forma económica estructuras en las que se han gastado
los ánodos galvánicos
• Para superar problemas de interferencia catódica o por corrientes
vagabundas
• Para proteger grande cajas de intercambiadores de calor, calentadores de
crudo, y otros recipientes
• En interiores de tanques de almacenamiento de agua
• Para fondos externos (primarios y secundarios) de tanques de
almacenamiento a nivel
• Para tanques de almacenamiento enterrados
• Para componentes sumergidos de estructuras off-shore
• Para pilotes de fundación y tablestacados, tanto enterrados como en
agua
Ventajas de los Sistemas por Corriente Impresa
• Flexibles, con la capacidad de operar con un amplio rango de tensiones
y corrientes de salida.
• Con una única instalación, satisfacen elevados requerimientos de
corriente.
• Efectivos para proteger estructuras desnudas o mal revestidas.
• Efectivos en medios de alta resistividad.
• Menor consumo anódico que en los sistemas de ánodos galvánicos.
Limitaciones de los Sistemas por Corriente Impresa
•
•
•
•
Mayor costo de inspección y mantenimiento que los ánodos galvánicos.
Requieren una fuente externa de energía.
Tienen un costo constante de suministro de energía.
Riesgo de producir interferencia por corrientes vagabundas.
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Control de la Corrosión
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• Pueden causar sobreprotección, que resulte en:
− daños al revestimiento
− fragilización por hidrógeno
Componentes
Impresa
de
los
Sistemas
por
Corriente
Ánodos
GRAFITO (CARBÓN)
Los ánodos de grafito, instalados con un relleno de carbón, funcionan muy
bien. El grafito también tiene un excelente rendimiento en presencia de
cloruros, como el agua de mar. Cuando sobre la superficie del ánodo de
grafito evoluciona oxígeno, el grafito se oxida para formar dióxido de
carbono. Con condiciones severas de pH y elevadas concentraciones de
sulfatos, puede aumentar su velocidad de consumo.
Los ánodos de grafito funcionan bien en suelos relativamente secos.
HIERRO
CON ALTO CONTENIDO DE SILICIO (HIERRO-SILICIO)
El hierro con alto contenido de silicio común consiste en una matriz muy
dura, con copos de grafito en los bordes de grano. El grafito debilita la
aleación. Agregando cromo, los grafitos libres se unen formando carburos,
fortaleciendo la aleación.
Los ánodos de hierro-silicio-cromo son frágiles comparados con los de
grafito, pero la dureza de la aleación hace al ánodo más resistente a la
abrasión y la erosión. Si se los instala con rellenos de carbón, los ánodos
funcionan en forma similar a los de grafito. Si se los instala sin backfill y si
la reacción anódica predominante es la evolución de oxígeno, estos ánodos
rinden mejor que los de grafito. En suelos secos, la película de dióxido de
silicio que se forma en la superficie introduce una elevada resistencia, en
desmedro de su rendimiento.
PLATINO
Los dos ánodos platinados más comunes son los que tienen sustratos de
titanio y niobio. Estos ánodos fueron desarrollados principalmente para
aplicaciones en agua de mar y otros medios con presencia de cloruros, dado
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Control de la Corrosión
3:19
que ambos sustratos forman capas protectoras de óxidos, dieléctricas, cuando
son anódicos en presencia de cloruros. Los ánodos platinados son susceptibles
de fallas prematuras debidas a reacciones con algunos iones acomplejantes,
especialmente en aplicaciones de procesos.
Los ánodos platinados son económicos solamente cuando se utilizan elevadas
densidades de corriente, como en agua de mar, en la que los cloruros pueden
migrar rápidamente hacia el ánodo, y los productos de corrosión, alejarse de
éste rápidamente. Si la reacción anódica predominante es la evolución de
oxígeno, se necesitan voltajes iniciales más elevados. Por lo tanto, desde el
punto de vista del costo, tanto del ánodo como de la fuente de energía,
generalmente no son económicos para aplicaciones bajo tierra.
ALUMINIO
Los ánodos de aluminio se usan principalmente en tanques de
almacenamiento de agua a temperatura ambiente. Debido a su elevada
velocidad de consumo, su vida útil es de aproximadamente un año. De
todas formas, las heladas invernales hacen necesario el reemplazo anual,
por lo que esta vida útil, si bien corta, es tolerable. Los ánodos de aluminio
también se utilizan en estas aplicaciones porque los productos de corrosión
son incoloros y no-tóxicos.
MAGNETITA
La magnetita es una forma de óxido de hierro. Estos ánodos se usan en
agua de mar, aguas pantanosas, agua dulce y alta resistividad.
MIXED METAL OXIDE
Los ánodos de mixed metal oxide (también llamados ADS, ánodos de
dimensión estable, en inglés DSA dimensionally stable anode) consisten en
revestimientos activados en forma electrocatalítica sobre un sustrato de
titanio. El revestimiento de óxidos metálicos es altamente conductor y sufre
una pérdida de peso extremadamente baja. Estos ánodos son muy resistentes
al ataque de ácidos, incluso a pH menores que 1; vienen en forma de barras,
tubos o mallas y se usan en agua dulce, agua salada y bajo tierra, como así
también en hormigón.
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Control de la Corrosión
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POLÍMERO CONDUCTOR
Este es un ánodo flexible en forma de cable; se usa bajo tierra y también para
proteger el acero dentro del hormigón. Para aplicaciones bajo tierra, el ánodo
viene en un tubo de tela que contiene un relleno de carbón.
METAL DE REZAGO
Si bien no es muy común debido a su elevada velocidad de consumo, el hierro
de rezago o el acero pueden utilizarse como ánodos. Se han usado pilotes de
acero abandonados y tramos de tubo viejo como ánodos.
PLOMO-PLATA
Este material sólo se utiliza en presencia de cloruros. Su aplicación más
común es en agua de mar.
Relleno (Backfill)
En aplicaciones enterradas, los ánodos de corriente impresa llevan casi
siempre un relleno de carbón. Este relleno o backfill sirve para tres cosas:
• Reduce la resistencia ánodo-a-tierra.
• Aumenta la capacidad de drenaje de corriente del ánodo, aumentando su
superficie.
• Reduce el consumo del ánodo, ya que el backfill es conductor y, si está
bien compactado, pasa a formar parte del ánodo y se consume junto con
éste.
Fuentes de Energía
RECTIFICADORES
Lo que comúnmente se llama rectificador, es en realidad un transformadorrectificador. Contiene un transformador, algún medio de ajustar el voltaje, un
rectificador para cambiar AC a DC, y diversos controles y otros componentes,
dependiendo del uso. La Figura 3.5 muestra el esquema de un rectificador:
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Control de la Corrosión
3:21
(Single-Phase Unit)
Alimentacion
Monofásica AC
Transformador de reducción
con regulación sobre el
secundario
+
Shunt
A
A Estructura
Placa Rectificadora
Para Convertir AC a DC
V
+
Puesta a Tierra
A los Ánodos
Figura 3.5 Esquema de un Rectificador de Protección Catódica
Básicamente, hay tres tipos de rectificadores:
1. Voltaje constante — el voltaje DC en los terminales se mantiene
constante para cualquier drenaje de corriente, hasta el máximo de
corriente que permite el rectificador.
2. Corriente constante — el drenaje de corriente se mantiene constante
para un amplio rango de resistencias de circuito, hasta el voltaje
máximo permitido por el rectificador.
3. Potencial estructura-electrolito constante — el drenaje de corriente y
voltaje varían para mantener un potencial determinado en la estructura.
Si hay energía AC disponible y es económica, los rectificadores tienen claras
ventajas económicas y operativas sobre otras fuentes de energía.
PANELES SOLARES
Los paneles solares generan DC mediante la acción fotovoltaica con la luz
solar. Los paneles se combinan con baterías de almacenamiento para
suministrar energía de noche y en días nublados.
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Control de la Corrosión
3:22
MOTOGENERADORES
Los motogeneradores pueden usarse como fuente de energía en sistemas
por corriente impresa. Generalmente, estas unidades suministran energía a
los rectificadores standard, como se ve en la Figura 3.6.
Alimentacion de
rectificador
Chimenea
Controlador
del
Alternador
Tanque para Aceite Lubrica
Rectificador
Generador AC
Regulador
Generador a Gas
Junta
Aislante
Dispersor
Estructura
Figura 3.6 Motogenerador
GENERADORES EÓLICOS
Los generadores eólicos pueden usarse en zonas con vientos de suficiente
velocidad. También cargan baterías para suministrar la corriente de
protección catódica en forma constante.
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Control de la Corrosión
3:23
Generador
Eólico
Baterías de Almacenaje
Protegidas Adecuadamente
Dispersor
Estructura
Figura 3.7 Instalación de un Generador Eólico
GENERADORES TERMOELÉCTRICOS
Estas unidades generan voltaje calentando la junta entre dos metales
diferentes. Generan corrientes pequeñas, por lo que se utilizan en
aplicaciones con bajo requerimiento de corriente.
Conexiones Eléctricas
Todas las conexiones eléctricas que se utilizan en los sistemas de
protección catódica por corriente impresa (excepto las superficies anódicas
activas) deben estar completamente aisladas con materiales dieléctricos.
EXPERIMENTO 3.2
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Underground Corrosion Control
3:24
Factores que Influyen en el
Funcionamiento de la Protección
Catódica
Hay muchos factores que influyen en el funcionamiento de los sistemas de
protección catódica. Un técnico en corrosión debe comprender los efectos
de algunos de los más importantes.
Contenido de Humedad en el Suelo
A medida que el contenido de humedad aumenta hasta alcanzar alrededor
del 15%, la resistividad del suelo disminuye. Más allá de este 15%, hay
poco cambio en la resistividad. Si bien las resistividades bajas tienden a
aumentar la corrosión electroquímica, también favorecen a la protección
catódica, disminuyendo la resistencia del ánodo al suelo, permitiendo por lo
tanto un mayor drenaje de corriente para un mismo voltaje.
Revestimiento
El revestimiento reduce la cantidad de corriente requerida para proteger una
estructura. Proteger una estructura desnuda requiere suficiente corriente
como para proteger todo el metal expuesto al electrolito. En cambio, en una
estructura revestida, lo único que hay que proteger es el metal expuesto en
las fallas, o holidays, del revestimiento. Una estructura bien revestida puede
llegar a tener menos del 1% de su superficie expuesta. Sin embargo, a
medida que el revestimiento envejece, también puede ir deteriorándose.
Además, al proteger estructuras revestidas antiguas, deben efectuarse
relevamientos para determinar la calidad del revestimiento.
Textura del Suelo
Arcilla y Limo
Los suelos muy compactados pueden llevar al bloqueo de gases en los
ánodos, aumentando la resistencia al suelo. El bloqueo está causado por la
imposibilidad de que los gases generados en el ánodo puedan escapar. Esto es
importante especialmente en dispersores profundos.
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Underground Corrosion Control
3:25
Este tipo de suelos pueden reducir los efectos de despolarización en la
estructura. Esto ayuda a reducir los requerimientos de corriente de
protección.
Arena y Canto Rodado
Los suelos porosos permiten rápidas variaciones en el contenido de humedad.
Esto puede llevar a que el suelo esté seco y mojado en forma cíclica,
cambiando su resistividad. Estos cambios influyen en la resistencia del
circuito de protección catódica. En algunos casos, es necesario utilizar un
rectificador de corriente constante para mantener la protección catódica.
El oxígeno puede penetrar estos suelos con facilidad, actuando como
despolarizante y aumentando el requerimiento de corriente.
En los puntos de contacto entre el canto rodado y la estructura pueden
formarse celdas por concentración de oxígeno. La corriente de protección
catódica puede no ser capaz de ingresar en el punto de contacto. Como
resultado, puede resultar difícil proteger estructuras rellenadas o apoyadas
simplemente sobre canto rodado o piedra partida.
Morena
La morena glaciar es similar al canto rodado. Las consideraciones
expuestas anteriormente valen también para este tipo de suelo.
Temperatura
La velocidad de corrosión tiende a aumentar con la temperatura. Por lo
tanto, en electrolitos más cálidos, el requerimiento de corriente será mayor.
Las cajas de intercambiadores y los calentadores de petróleo, son buenos
ejemplos de medios de temperatura elevada. Las tuberías de gas
downstream de una estación de compresión requieren por lo general de una
mayor densidad de corriente, debido al aumento de temperatura dado por el
gas comprimido.
La mayor temperatura reduce la polarización, aumentando también el
requerimiento de corriente.
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Underground Corrosion Control
3:26
Como dijimos al analizar los materiales que se usan como ánodos
galvánicos, las temperaturas elevadas pueden afectar el rendimiento de los
ánodos de zinc y aluminio.
Contenido de Oxígeno
A medida que aumenta la concentración de oxígeno, la polarización tiende a
disminuir. Por lo tanto, en medios más oxigenados, el requerimiento de
corriente será mayor.
Movimiento de Estructura y Electrolito
El movimiento relativo entre una estructura y el electrolito influye en el
requerimiento de corriente. A medida que aumenta la velocidad relativa,
también aumenta el requerimiento de corriente, debido a la menor
polarización.
Un buen ejemplo de este fenómeno son los cascos de barcos. Cuando el
barco está anclado, el requerimiento de corriente para proteger el casco es
bajo. Sin embargo, cuando el barco está en movimiento, el requerimiento
de corriente aumenta. Puede ser necesario utilizar rectificadores de
corriente constante.
El mismo efecto se produce en agua que fluye a una cierta velocidad. Los
pilotes de los puentes colocados en ríos turbulentos requieren más corriente
que aquéllos colocados en aguas quietas. El flujo de agua a través de una
caja de intercambiador de calor también afecta el requerimiento de
corriente.
Composición del Electrolito
El electrolito también puede afectar por sí mismo el rendimiento de la
protección catódica. Las bacterias, en especial la bacteria reductora de
sulfatos, tienen un efecto despolarizante sobre las estructuras protegidas. En
estos casos, puede ser necesario aumentar el nivel de protección catódica.
La composición química de los fluidos en los calentadores de crudo de
petróleo, influye en el rendimiento de los ánodos. El dióxido de carbono y
el sulfuro de hidrógeno, por ejemplo, tienen efectos pasivantes sobre el
zinc.
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Underground Corrosion Control
3:27
Pantalla Eléctrica
Pantalla Metálica
Los componentes metálicos conectados a una estructura protegida pueden
llegar a impedir que la corriente de protección catódica llegue a la superficie a
proteger. Un ejemplo excelente de pantalla eléctrica metálica es un
encamisado en corto con la tubería.
La Figura 3.8 muestra el efecto de un casing en corto.
SELLO
EXTREMO
VENTEO
CAMISA
CAÑO SIMPLEMENTE APOYADO
SOBRE EL CAÑO CAMISA POR
FALTA DE ESPACIADORES
AISLANTES
Figura 3.8 Pantalla Catódica por Tubo en Contacto
Pantalla Dieléctrica
Si se coloca una plancha de plástico o cualquier otro material aislante cerca
de la superficie de una estructura con protección catódica, puede llegar a
impedir que llegue la cantidad adecuada de corriente a esa superficie. Los
revestimientos despegados pueden tener este mismo resultado.
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Underground Corrosion Control
3:28
Criterios de Protección Catódica
La protección catódica es un fenómeno de polarización. Como se dijo antes,
la protección catódica implica reducir a cero la diferencia de potencial entre
los ánodos y cátodos localizados sobre una superficie metálica. Esto se
logra polarizando los potenciales de los cátodos hasta el nivel de los
potenciales de los ánodos.
La polarización de los sitios catódicos hasta el potencial a circuito abierto
de los sitios anódicos es el verdadero criterio para eliminar la corrosión. Sin
embargo, es básicamente imposible determinar el potencial a circuito
abierto del sitio anódico más activo. Como las celdas de corrosión
generalmente son microscópicas y los potenciales medidos son potenciales
de corrosión mixtos, lo más probable es que las mediciones iniciales sean
un promedio de los potenciales de corrosión de muchas celdas. Por lo tanto,
se han ido desarrollando varios criterios alternativos para poder
aproximarse al criterio verdadero de control de corrosión. NACE
International y otras organizaciones internacionales recomiendan varios
criterios.
Criterios Recomendados por NACE International
General
Existen varios criterios recomendados por NACE, descriptos en las
distintas prácticas recomendadas (RP) o en las prácticas standard (SP). A
continuación se analizan varios metales en distintos medios, y se citan
también las RP pertinentes. Siempre que vaya a usar estas prácticas
recomendadas, asegúrese de obtener la última versión (el año de revisión se
especifica a continuación del número de RP).
En muchos casos usted notará que, para realizar una interpretación válida
de los datos, se hace referencia a caídas de voltaje (caídas IR) distintas a
aquéllas que se verifican en la interfase estructura-electrolito. Es muy
importante que usted comprenda esto en profundidad, ya que si se deja de
lado la caída IR, sus datos pueden indicar que la estructura está protegida,
cuando en realidad no lo está. En la próxima sección se desarrolla este
concepto. Luego, analizaremos distintos criterios de protección catódica
para diversas situaciones.
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Underground Corrosion Control
3:29
CAÍDA IR
Como la protección catódica es un fenómeno de polarización, para determinar
el nivel de protección de una estructura es necesario determinar su nivel de
polarización. El potencial polarizado puede definirse como el potencial a
través de la interfase estructura-electrolito; ésta es la suma del potencial de
corrosión y la polarización catódica.
Por lo tanto, el potencial que nos interesa es el potencial polarizado a través
de la interfase estructura-electrolito. Sin embargo, siempre que se mide un
potencial, el resultado es la sumatoria de todas las caídas de potencial en el
circuito, como se ve en la Figura 3.9.
Resistencias
Voltímetro
Cable de Medicion +
Contacto Cable/Elect.Ref.
Celda Referen.
Celda de
Contacto Ref./Electrolito
Refer
Electrolito
Polarización
Estructura
Contacto Cable a Estruct.
Electrolito
Cable Test
Contacto entre Test/Medición
Cable de Medic.
Film Polarización
Instrumento
.900 v
+
_
Medición y Corriente de PC a
través
electrolito
Caño
Figura 3.9 Caídas Óhmicas en un Circuito
Para que el potencial medido represente el potencial polarizado a través de
la interfase estructura-electrolito, todas las otras caídas óhmicas deben ser
despreciables. Como el voltaje (o caída óhmica) es el producto de la
corriente por la resistencia, el voltaje disminuye cuando disminuyen la
corriente o la resistencia. Cuando hablamos de corriente, generalmente nos
referimos a la corriente de protección catódica aplicada; sin embargo, puede
ocurrir que la corriente de medición (corriente necesaria para hacer
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funcionar el instrumento de medición) o las corrientes vagabundas sean
significativas... La corriente de circuito es pequeña si la resistencia del
instrumento es grande. Esta es una de las razones por las que los
instrumentos de medición que se utilizan para medir potenciales tienen
resistencias de millones de ohmios.
Sólo bajo las siguientes condiciones, las caídas óhmicas en el circuito de
medición son insignificantes:
• Pasos metálicos — cuando son cortos en longitud y/o la sección
transversal al pasaje de corriente es grande.
• Contacto entre pila de referencia y electrolito — cuando hay gran
cantidad de humedad y/o la superficie de contacto es grande.
• Puntos de conexión — cuando los contactos metal/metal son buenos.
• Circuito interno del instrumento de medición — cuando se utiliza un
instrumento de medición con una elevada resistencia de entrada (10
megohmios, por ejemplo).
• Electrolito — cuando resistividad y/o densidad de corriente de
protección catódica son bajas.
Todas las caídas óhmicas de un circuito de medición son controlables,
excepto la del electrolito. Sin embargo, ésta puede aproximarse a cero
colocando el electrodo de referencia cerca de la estructura; y puede
reducirse a cero interrumpiendo el flujo de corriente.
Además de intentar hacer que la caída IR sea insignificante, se puede tratar
de determinar su magnitud, ya sea midiéndola o calculándola, y ajustar el
potencial medido eliminando la caída IR.
La caída IR afecta la precisión de los datos recogidos durante los
relevamientos de protección catódica. Esto se analiza en el Capítulo 5,
Mediciones de Campo.
A continuación, los criterios que se utilizan son citados de los documentos
indicados. En muchos casos pueden aplicarse otros criterios. El criterio de
100 milivoltios de polarización, por ejemplo, se aplica en muchos casos. Es
fundamental que usted conozca cuáles son los criterios específicos para las
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estructuras que usted mida. Como se dijo antes, no existe un criterio único
y universal de protección catódica.
Para entender los criterios aplicables a las estructuras con las que se trabaja,
usted debe leer atentamente la sección correspondiente a los criterios de
protección catódica de cada uno de los siguientes documentos de referencia.
Hierro y Acero Enterrados o Sumergidos
Referencias
SP0169 Control of External Corrosion on Underground or Submerged
Metallic Piping Systems (Control de Corrosión Externa en Sistemas de
Tuberías Metálicas Enterradas o Sumergidas)
RP0285 Corrosion Control of Underground Storage Tank Systems by
Cathodic Protection (Control de Corrosión con Protección Catódica en
Tanques de Almacenamiento Enterrados)
CRITERIOS RECOMENDADOS
Hay tres criterios aplicables: dos relacionados con un potencial estructurasuelo de –850 mV con respecto a un electrodo de referencia de
cobre/sulfato de cobre (CSE), y otro, con un desplazamiento en la
polarización de 100 mV.
Estos tres criterios son:
• Un potencial negativo (catódico) de al menos 850 milivoltios con la
protección catódica aplicada. Este potencial se mide con respecto a un
electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre en contacto con el
electrolito. Para poder interpretar correctamente esta medición, deben
tenerse en cuenta las otras caídas de potencial, además de la que tiene
lugar en la interfase estructura-electrolito.
• Un potencial polarizado negativo de al menos 850 milivoltios con
respecto al electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre.
• Un mínimo de 100 milivoltios de polarización catódica entre la
superficie de la estructura y un electrodo de referencia estable en
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contacto con el electrolito. La formación o desaparición de la
polarización puede medirse para alcanzar este criterio.
(-)
Potencial ON
IR
Potencial
(-mV) 100 mV
“ON-IR”
Potencial Off
“OFF”
-850 mVCSE
-850 mVCSE
Polarizacion
100 mV Despolarización
(+)
Potencial Natural o Potencial de Corrosión
Figura 3.10 Potenciales tubo-suelo
APLICACIÓN DE ESTOS CRITERIOS
El primer criterio, un potencial de –850 mV obtenido con la corriente
aplicada, requiere una caída IR despreciable o que se haya eliminado de la
medición. Generalmente, la caída IR es poco significativa cuando la
densidad de corriente y/o la resistividad son bajas.
El segundo criterio, un potencial polarizado de –850 mV, requiere eliminar
la caída IR durante la medición. Esto puede efectuarse eliminando la
resistencia del electrolito o interrumpiendo la corriente. En una estructura
desnuda, si se mide el potencial en la interfase estructura-electrolito, el
electrolito pasa a estar fuera del circuito de medición, y su resistencia, por
lo tanto, es casi cero. Si se interrumpe la corriente de protección catódica, la
corriente es cero. Recuerde que la polarización se disipa si se interrumpe la
corriente, y justamente lo que se desea medir es la polarización. Por lo
tanto, cuando se interrumpe la corriente, debe medirse el potencial en
“instant off”, es decir, el potencial con la caída IR eliminada pero antes de
que la polarización empiece a disiparse.
El criterio de 100-mV de polarización puede aplicarse o bien empezando
con el potencial de corrosión conocido (potencial “off” natural o
espontáneo), o bien con el potencial polarizado de la estructura. Comience
por interrumpir momentáneamente la corriente para determinar el potencial
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“instant off” (polarizado). Con la corriente interrumpida, observe cómo
decae el potencial polarizado. Si el potencial cae (es decir, se hace más
positivo) al menos 100 mV, se ha alcanzado este criterio. De la misma
forma, si la lectura “instant off” es al menos 100mV más negativa que la
lectura del potencial natural, el criterio está cumplido.
Hay que tener en cuenta que bajo ciertas circunstancias, por ejemplo, en
presencia de bacterias, sulfuros, temperaturas elevadas y metales distintos,
estos criterios pueden no ser suficientes. En suelos bien aireados y de buen
drenaje, puede evitarse la corrosión a potenciales menos negativos. Por otro
lado, en tuberías desnudas o mal revestidas, puede alcanzar con verificar
que hay una corriente neta de protección (corriente que circula hacia la
tubería en puntos predeterminados donde se había verificado salida de
corriente).
Probablemente su compañía tenga criterios específicos para diversas
situaciones. Usted debe saber qué criterio utilizar en cada caso y entender
que existen distintos criterios entre los cuales deberán optar los ingenieros
de diseño.
Tuberías Enterradas o Sumergidas de Aluminio y Cobre
Estos metales se analizan en la SP0169. Para ambos se utiliza el criterio de
100mV de polarización catódica.
El aluminio es un metal anfótero y puede dañarse con un exceso de
protección catódica. Por lo tanto, no debe excederse un potencial polarizado
de –1200 mV.
Situaciones con Metales Distintos
La SP0169 especifica el criterio de un potencial negativo con respecto a un
electrodo de referencia estable equivalente al requerido para la protección
del metal más anódico.
Plataformas Offshore en Agua Salada
SP0176 Corrosion Control of Steel Fixed Offshore Platforms Associated with
Petroleum (Control de Corrosión de Plataformas Offshore Fijas de Acero
Relacionadas con el Petróleo)
Un voltaje negativo (catódico) de al menos –0.800 voltios medidos entre la
superficie de la plataforma y un electrodo de referencia de plata-cloruro de
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plata (Ag-AgCl) en contacto con el agua. Normalmente este voltaje debe
medirse con la corriente de protección aplicada. Este criterio de –0.800 V
incluye la caída óhmica a través de la interfase acero/agua, pero no la caída
óhmica en el agua.
En esta norma se cubren otros criterios y electrodos de referencia, junto con
una discusión acerca de las técnicas de medición.
Interiores de Tanques Acero de Almacenamiento de Agua
SP0388 Impressed Current Cathodic Protection of Internal Submerged
Surfaces of Steel Water Storage Tanks (Protección Catódica por Corriente
Impresa en las Superficies Internas Sumergidas de Tanques de
Almacenamiento de Agua
Un potencial negativo (catódico) de al menos 850 mV con la protección
catódica aplicada. Este potencial se mide con respecto a un electrodo de
referencia de cobre/sulfato de cobre en contacto con el electrolito. Para
interpretar correctamente la medición, deben tenerse en cuenta las caídas
óhmicas además de la que se verifica a través de la interfase estructuraelectrolito.
American Water Works Association Standard D104-97 Automatically
Controlled Cathodic Protection of Internal Submerged Surfaces of Steel
Water Storage Tanks” (Protección Catódica Controlada Automáticamente
en Superficies de Acero Sumergidas en Tanques de Almacenamiento de
Agua) especifica –850 a –1050 mV de potencial polarizado con respecto al
electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre.
Calentadores de Petróleo
SP0575 Internal Cathodic Protection Systems in Oil Treating Vessels
(Sistemas de Protección Catódica en el Interior de Recipientes de
Tratamiento de Petróleo)
Un mínimo de –850 mV vs CSE (–800 mV vs un electrodo de plata-cloruro
de plata (Ag-AgCl)). Sin embargo, si el fluido contiene sulfuros o sulfuro de
hidrógeno, puede llegar a requerirse un potencial mínimo de –950 mV (–900
vs Ag-AgCl).
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Tanques de Almacenamiento a Nivel
RP0193 External Cathodic Protection of On-Grade Metallic Storage Tank
Bottoms (Protección Catódica Externa de Fondos de Tanques
de
Almacenamiento Metálicos sobre nivel)
• Un potencial negativo (catódico) de al menos 850 mV con la protección
catódica aplicada. Este potencial se mide con respecto a un electrodo de
referencia de cobre/sulfato de cobre en contacto con el electrolito. Para
interpretar correctamente la medición, deben tenerse en cuenta las
caídas óhmicas además de la que se verifica a través de la interfase
estructura-electrolito.
• Un potencial polarizado negativo de al menos 850 mV con respecto a un
electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre.
• Un mínimo de 100 mV de polarización.
Hormigón Reforzado
SP0290 Cathodic Protection of Reinforcing Steel in Atmospherically Exposed
Structures (Protección Catódica de las Armaduras de Hierro en Estructuras
Expuestas a la Atmósfera)
El standard especifica el criterio de los 100 mV de polarización más otros dos
criterios más complejos, que son: 1) un potencial al menos tan negativo como
el que se encuentra en la base de la pendiente de Tafel en la curva E-Log-I y
2) un potencial polarizado más negativo que la desviación estadística de los
potenciales naturales. En este curso no analizaremos estos dos criterios, por
hallarse más allá de nuestro objetivo.
Norma ISO 15589-1
Industria del Gas Natural y del Petróleo – Protección Catódica
de Sistemas de Transporte por Tuberías
Parte 1 Tuberías enterradas
• El potencial metal a electrolito es elegido de manera tal que la velocidad
de corrosión sea inferior a 0.01 mm/año (0.39 mils/año)
• Potencial Polarizado más negativo que -850 mV vs. electrodo de cobre.
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• Potencial nunca más negativo que–1.200 mVCSE
• En suelos anaeróbicos o en presencia de bacterias reductoras de sulfatos,
potencial más negativo que (SRB) –950 mVCSE
• Resistividades elevadas del terreno
ƒ –750 mVCSE para 100 < ρ < 1,000 Ω-m
ƒ –650 mVCSE para ρ > 1,000 Ω-m
• Polarización catódica de 100 mV
Precauciones:
Evite utilizar el criterio de 100 mV en condiciones de alta temperatura,
presencia de SRB, corrientes de interferencia, corrientes telúricas,
metales disímiles o cuando hay sospecha de SCC (Stress Corrosion
Cracking) potenciales más positivos a –850 mVCSE.
Canadá
Canadian Standards Association, Standard Z662.96, Oil and Gas Pipeline
Systems references Canadian Gas Association Recommended Practice
OCC-1, For the Control of Corrosion on Buried or Submerged Metallic
Piping Systems (Para el Control de la Corrosión en Tuberías Metálicas
Enterradas o Sumergidas). Los criterios son los mismos que en SP0169.
El CSA Standard Z169 analiza la protección catódica del aluminio.
Japón
Hay muchos documentos que listan criterios de protección catódica, entre
ellos:
• El Instituto Japonés de Desarrollo de Áreas Costeras, 1998 “Protección
Contra la Corrosión y Manual de Reparaciones para Estructuras de
Acero en Puertos y Muelles.”
• Asociación Japonesa de Autoridades Portuarias, Parte 1, “Criterios y
Análisis de Tecnologías en Instalaciones Portuarias.”
• Asociación Japonesa de Tuberías de Agua, WSP-050-95, “Manual de
Protección Catódica para Tuberías de Agua de Acero Revestido.”
Australia
La Norma No. 2832 del Australian Standards Institute analiza la protección
catódica. Tiene tres partes:
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• Parte 1 – Tubos, Cables y Ductos
• Parte 2 – Estructuras Enterradas Compactas
• Parte 3 – Estructuras Sumergidas Fijas
Los criterios para el acero son los mismos que los de la SP0169.
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Experimento 3.1–Demostración del Uso de la
Protección Catódica para Mitigar la Corrosión por
efecto de Celdas de Acción Local (Celdas
Galvánicas)
NOTA: El Instructor presentará el experimento.
PROCEDIMIENTO
Corrosion Current
V
A
Closed Circuit
V
Rm
V
Copper
Steel
Reference Electrode
Tray with Tap Water
Magnesium Anode
Cathodic Protection Current
Experimento para Demostrar la Mitigación de la Corrosión por Celdas
de Acción Local con Protección Catódica
Parte A
1. Colocar las placas de cobre y acero en los laterales de la cuba en una
altura de agua potable de unos 45 mm.
2. Seguir el diagrama indicado a continuación.
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-0.45 V
-0.18 V
Mismo
Same Meter
medidor
3. Mida el potencial natural del acero y del cobre.
4. Conecte el amperímetro entre ambas placas de cobre y acero y mida la
corriente de corrosión (Icorr).
(Para obtener el flujo de corriente puede utilizarse un segundo
instrumento de otro kit o bien puede reubicarse un único instrumento para
obtener la información como se indica más abajo.
14 mA
+
Corriente de Corrosión
Corriente Convencional
Conventional Current
5. Mida los potenciales polarizados del acero y el cobre.
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Corriente de Corrosión
14 mA
-0.29 V
-0.31 V
+
Mismo
Medidor
+
+
Corriente Convencional
Parte B
1. Coloque el ánodo de magnesio dentro de la cuba y conéctelo a la placa
de cobre intercalando una resistencia de 10.000 ohmios.
2. Mida la corriente de corrosión (Icorr).
3. Determine la corriente de protección catódica (Ic,p) calculándola por la
caída óhmica producida a través de la resistencia que se va variando.
4. Mida los potenciales de polarización del acero y del cobre.
5 mA
-0.31 V
+
+
Mismo
Same Meter
-0.29 V
10 mV
+
+
Medidor
10,000 O
1,000 0O
100 O
10 O
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Parte C
1. Repetir la Parte B utilizando resistencias de 1000, 100 y 10 ohmios.
RESULTS
Condiciones
del Circuito
Eacero
Natural (OC)
(circuito
abierto)
Polarizado
(Cu
+
Fe
conectado)
10.000 ohms
Ecobre
Corriente de
Corrosión
Icorr (mA)
ND
Caída de
Icp
Potencial(Vr) Calculada
en la Resist.
ND
ND
ND
ND
1.000 ohms
100 ohms
10 ohms
CONCLUSIONES
1. La corriente de corrosión disminuye a medida que la corriente de
protección catódica aumenta.
2. La corriente de corrosión disminuye a medida que el potencial del
cátodo polarizado se va haciendo cada vez más negativo.
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Experimento
3:42
3.2–Demostrar el Cambio en el
Potencial de Polarización en
función del Tiempo
NOTA: El Instructor presentará este experimento.
PROCEDIMIENTO
A
+ V
–
Placa de
cobre
Ánodo de Magnesio
Electrodo de Referencia
Cuba con agua de canilla
Experimento para Demostrar el Cambio del Potencial de
Polarización en función del tiempo.
Parte A
1.
Coloque la placa de cobre en un extremo de la cuba y el ánodo de
magnesio en el extremo opuesto.
2.
Agregar unos 40 mm. de agua de canilla a la cuba.
3.
Conectar el ánodo de magnesio a la placa de cobre tal como se
muestra y medir la corriente de protección catódica inicial y el
potencial de polarización de la estructura. (Un segundo instrumento
puede ser utilizado para obtener el flujo de corriente o bien un único
instrumento puede ser reubicado cada vez que se mide).
Parte B
1. Vuelva a medir el potencial polarizado de la estructura (placa de cobre)
a intervalos de tiempo hasta que permanezca relativamente estable.
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Parte C
1.
Dejar el sistema toda la noche operando.
Medir el pH.
2.
Desconecte el ánodo y tomar lecturas de despolarización.
3.
RESULTADOS
Tiempo
Ecobre
c/Protecc.Catódica (mV)
Al conectarlo
______________
______________
______________
______________
______________
______________
______________
______________
______________
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Corriente
(mA)
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CONCLUSIONES
1. El potencial polarizado de la estructura (placa de cobre) se desplaza
en la dirección más electronegativa con el transcurso del tiempo.
2. La corriente de protección catódica disminuye con el transcurso del
tiempo.
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CAPÍTULO 4
Seguridad
Introducción
Las medidas de seguridad sirven para protegerlo a usted y a sus colegas de
trabajo. Aunque su compañía tome todas las precauciones en este sentido,
en última instancia serán sus propias observaciones y acciones las que
determinarán si usted o alguien más resulta herido o muerto. Las medidas
de seguridad pueden insumir tiempo, pero no pueden pasarse por alto y
deben ser siempre prioritarias mientras usted trabaja. Ningún trabajador
está obligado a trabajar en condiciones inseguras.
Aquí abajo listamos algunos riesgos típicos de la medición e inspección en
protección catódica. Una vez evaluados los riesgos específicos para una
tarea en particular, deben determinarse las medidas preventivas apropiadas
para reducir la exposición a los mismos. Esto puede encararse completando
una planilla de Análisis de Seguridad Laboral (Job Safety Analysis o JSA)
mediante la cual se identificarán los posibles riesgos y las medidas
preventivas para cada etapa del proyecto. Una vez hecho esto, se
incorporarán las medidas preventivas y el procedimiento a seguir.
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Seguridad
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Proyecto de Análisis de
Seguridad Laboral
Identifiación y Determinación de
Riesgos (véase lista de riesgos)
Inaceptable
Determinación
de Riesgos
Aceptable
Inaceptable
Medidas
Preventivas
Aceptable
Empezar
Proyecto
Nueva Det.
de Riesgos
Inaceptable
Cambio de Riesgos
Figura 4.1 Análisis de Seguridad Antes de Comenzar un Proyecto
Algunos riesgos a tener en cuenta son:
• Traslados
− Automóvil o camión (autopista o rutas secundarias)
− Vehículos todo terreno (ATV)
− Aeroplano
− Helicóptero
− Bote
• Electricidad
− Rectificadores
− Voltaje AC peligroso en estructuras
• Medio ambiente
− Riesgos atmosféricos, como gases ácidos, H2S
− Contaminantes en suelo o en agua
• Materiales peligrosos
− Planillas de seguridad en el manejo de materiales
(MSDS)
• Zanjas
− Con pendiente o apuntaladas
• Reptiles, animales o insectos
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Seguridad
• Trabajo en alturas
− Sobre tierra
− Sobre agua
• Trabajos subacuáticos
• Riego(s) específico(s) inherentes al proyecto.
Esta lista no pretende reemplazar un programa completo de seguridad. Los
riesgos que se detallan a continuación son los que se relacionan
específicamente con la protección catódica y no siempre se los encuentra en
los programas más comunes de seguridad.
Electricidad
Los técnicos y encargados de realizar mediciones de protección catódica
tienden a subestimar los riesgos relacionados con la electricidad, ya que en
muchos casos los voltajes a medir son muy bajos, como así también las
fuentes de energía. Este no es el caso si se trabaja con equipos eléctricos
como rectificadores o estructuras próximas a líneas de corriente alterna.
Equipos Eléctricos (Rectificadores)
Gabinete del Equipo Eléctrico (Rectificador)
Siempre asuma que el equipo eléctrico o rectificador puede no tener una
buena puesta a tierra y estar energizado más allá de lo previsto. ¡Esto ha
ocurrido! Antes de tocar el gabinete, mida el voltaje gabinete-a-tierra o
utilice un instrumento que detecte voltaje AC mediante una luz que se
enciende en presencia de un voltaje AC. No toque el gabinete del
rectificador mientras realiza la medición; en el primer ensayo, no extienda
sus brazos haciendo puente entre el gabinete y el electrodo que hace
contacto con la tierra. El voltaje gabinete-a-tierra debería ser virtualmente
de 0 VoltsAC.
Recuerde que lo fatal es la corriente circulando a través del cuerpo. La
magnitud de corriente que puede resultar fatal varía según la persona y lo
prolongado de la exposición. Generalmente, se toma como umbral de
percepción 1 mA. Una corriente de 9 a 25 mA puede provocar una falta de
control muscular (corriente que no permite retirarse) que imposibilite soltar
el metal y hasta contraer más aún los músculos 1 . Las investigaciones
indican que, para considerarse segura, la máxima corriente que puede
1
IEEE Std. 80, IEEE Guide for Safety in Substation Grounding, Institute of Electrical and
Electronics Engineers
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Seguridad
circular entre un brazo y una pierna es de 100 mA en 3 segundos2. Con una
corriente mayor, puede sobrevenir la muerte como resultado de una
fibrilación ventricular del corazón.
Ejemplo:
Si la resistencia de una persona es de 1000 Ω y se hace contacto con 120
VAC, según la Ley de Ohm (I=E/R), la corriente a través del cuerpo será de
120 mA, suficiente como para ser fatal. Nótese que los rectificadores
pueden funcionar a 240 VAC, 480 VAC o hasta a 600 VoltsAC , en cuyo caso
la corriente a través del cuerpo aumentará proporcionalmente.
Rectificadores de Protección Catódica (PC)
• Los rectificadores de PC tienen terminales de corriente alterna y
continua expuestos en el panel del rectificador. La exposición al
voltaje varía según el tamaño y diseño del rectificador. No haga
contacto corporal con ningún terminal eléctrico cuando el
rectificador está energizado y protéjase de este riesgo.
• Realice mediciones con puntas de prueba aisladas diseñadas a tal fin
usando el método de una sola mano, evitando el contacto con el
extremo de la punta de prueba. Nunca presione el extremo de una
punta de prueba y un terminal o cable entre sus dedos para hacer
contacto.
• ¡Apagando el interruptor del circuito, el frente del panel será seguro
pero no la parte posterior o interior del rectificador!
• La conexión a la alimentación de corriente alternada (AC) fuera del
rectificador debe estar APAGADA (fuera de servicio/rotulada) antes
de que sea seguro trabajar sobre cualquier parte del rectificador.
• Verifique que no haya tensión de AC mediante mediciones, ya que
los contactos de la llave interruptora pueden fundirse haciendo
contacto aún en la posición de desconexión (tripped position).
• Al cambiar los elementos de regulación (taps) cambiar partes o
instalar y sacar de servicio el rectificador, clausure y rotule (lock out
and tag) el interruptor del rectificador o la conexión a la
alimentación de AC después de apagarlo. Este es un buen hábito, e
incluso obligatorio por reglamentación en muchas zonas.
• Ninguna medición detrás del panel requiere que el rectificador esté
energizado, excepto la medición del voltaje AC que ingresa al
rectificador. Esta última medición solo debe ser llevada a cabo por
personal entrenado a tal efecto, y solo debe medirse si los
2
L.P. Ferris, B.G. King, P.W. Spence, H.B. Williams, Effect of Electric Shock on the Heart, AIEE
Trans., Vol. 55, pages 468-515 & 1263 May 1936 and IEEE Std 80.
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Seguridad
terminales son accesibles fácilmente al costado del rectificador.
Recuerde que incluso con el interruptor del rectificador en OFF, el
voltaje de la línea de AC todavía llega al interruptor del circuito del
rectificador.
• Recuerde apagar, clausurar y rotular (lock out and tag) la conexión a
la alimentación de AC al operar con el rectificador o reemplazar
componentes. De esta forma, nadie podrá encender accidentalmente
la corriente hasta que sea seguro.
Cancelar/Rotular (Lock Out/Tag Out)
La cancelación (o puesta fuera de servicio) y rotulación o identificación
(LOTO por lock out/tag out) sirve para asegurar que la energía no pueda
encenderse accidentalmente mientras haya gente trabajando con el equipo.
Además, crea un hábito de trabajo seguro. Lo mismo sucedió con los
cinturones de seguridad, que al principio resultaban molestos, pero ahora
uno se siente incómodo si no están colocados cuando el vehículo se mueve.
Lo mismo se puede decir del LOTO: si seguir este procedimiento se torna
un hábito, usted se sentirá intranquilo si no está colocado, haciéndole estar
más consciente del peligro.
En muchas zonas, es obligatorio por reglamentación. Hay algunas
reglas comunes para aplicar:
• La persona que instala el LOTO debe ser la que lo retira
• Si hay más de una persona trabajando sobre el equipo, debe
instalarse un candado grupal tipo tijera en el identificador de cada
integrante del grupo (Figura 5.1).
• La etiqueta detalla el nombre de la persona, un contacto, fecha y el
equipo que se está poniendo en condición fuera de servicio.
• El equipo no debe reencenderse hasta haberlo inspeccionado para
determinar que es seguro, y hasta que todos los identificadores
hayan sido retirados por el dueño.
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Seguridad
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Figura 5.1
Elemento Grupal tipo Tijera para LOTO
Todo el personal de protección catódica debería llevar un kit LOTO
consigo mientras están en el campo, si piensan trabajar con rectificadores.
Zonas de Riesgo Eléctrico
Si existe la posibilidad de que haya una mezcla explosiva de hidrocarburo,
la zona se considerará “riesgosa” y el equipamiento eléctrico debe
instalarse dentro de una caja de conexiones sellada a prueba de peligros . El
técnico de PC debe determinar si está calificado/a para trabajar con
equipamiento eléctrico en una zona riesgosa. Antes de exponer el
equipamiento eléctrico a una zona riesgosa, éste debe estar apagado, fuera
de servicio e identificado para evitar la aparición de un arco, que puede
servir de fuente para una ignición.
Explosiones o Igniciones
Además de las zonas riesgosas, muchas estructuras con protección catódica
contienen sustancias potencialmente explosivas o combustibles. En ciertas
circunstancias, un sistema de protección catódica puede tener suficiente
energía como para encender un material combustible o provocar una
explosión.
Según las características del circuito, siempre que se separa un conductor
que transporta corriente puede producirse una chispa. Por ejemplo, en una
tubería protegida catódicamente que conduce la corriente de retorno al
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Seguridad
rectificador, puede producirse una chispa de gran intensidad si se corta o
separa la tubería en una junta. Si la atmósfera es combustible, puede
producirse una explosión. Para evitar esta situación, debe instalarse
provisoriamente una unión eléctrica a través de la zona en que va a cortarse
la sección de tubo o a desconectarse una brida.
También puede producirse una chispa de gran intensidad cuando se produce
una conexión eléctrica, accidental o deliberada, entre una estructura con
protección catódica y otra estructura metálica. Al momento de producirse la
conexión, puede haber una chispa. Por ejemplo, cuando un barco o barcaza
que contiene un material combustible atraca en un muelle con protección
catódica, generalmente el barco y el muelle harán contacto eléctrico a
través de cabos metálicos u otros elementos. Para evitar una situación
potencialmente desastrosa, se suele unir el muelle y el barco usando dos
cables de unión antes de abrir cualquier compuerta del barco; así, si se
produce una chispa, ésta tendrá lugar en la unión, antes de que se liberen
los vapores potencialmente explosivos. Otra precaución consiste en apagar
el o los rectificadores de protección catódica hasta que la embarcación esté
unida al muelle en forma segura.
Por ultimo, en áreas donde la atmósfera puede ser explosiva, no debe
permitirse la presencia de ningún componente de protección catódica que
pudiera provocar una ignición o una chispa. Por ejemplo: diques alrededor
de tanques que contengan materiales combustibles, instalaciones que
contengan o alojen componentes de tuberías de propano, gas natural o
productos combustibles, plataformas de producción de gas o petróleo, etc.
Los rectificadores comunes y muchos tipos de supresores de descargas
atmosféricas (lightning arresters) son potenciales fuentes de ignición. En
situaciones especiales en que sea necesario instalar un rectificador en una
zona donde la atmósfera pueda ser explosiva, debe usarse un rectificador
sumergido en aceite con conexiones, interruptores y componentes a prueba
de explosiones. En este caso, es preciso asegurarse de que el diseño a
prueba de explosiones sea el adecuado según la clasificación de la zona y
que el diseño no se vea perjudicado por una instalación inapropiada.
Relevamientos de Protección Catódica
Existe siempre la posibilidad de encontrar potenciales peligrosos cuando se
lleva a cabo una medición de protección catódica. A continuación se
sugieren algunas precauciones:
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Seguridad
• Asuma que el potencial a medir puede ser peligroso. Nunca entre en
contacto con un circuito antes de determinar que el potencial es seguro.
• Si existe la posibilidad de que haya corriente alterna, mida primero la
tensión de la misma.
• Evite realizar mediciones durante tormentas eléctricas, ya que aún las
descargas remotas pueden inducir potenciales peligrosos en las
estructuras.
• Tenga cuidado al trabajar cerca de líneas de alta tensión o, al medir a
través de aislaciones y celdas de polarización, use el método de
conexión con una sola mano con cables y conectores de medición
aislados.
• Tenga en cuenta los posibles riesgos de descargas al operar sistemas de
protección catódica en el agua.
Tensión Inducida
Cuando una estructura o un alambre metálico corren en paralelo a una línea
de alta tensión (HVAC), puede encontrarse una tensión significativa. Una
tensión peligrosa puede aparecer en una estructura como resultado de la
inducción, de corrientes de retorno en la tierra o de corrientes de falla en el
circuito de potencia.
Si existe la posibilidad de potenciales peligrosos, siempre debe medirse
primero la tensión-a-tierra de la estructura. Tenga cuidado de no hacer
contacto físico directo con el circuito de medición. Utilice un multímetro
para medir el potencial AC entre la estructura y un electrodo de referencia
de cobre-sulfato de cobre en contacto con la tierra o cualquier otra
resistencia de puesta a tierra de valor bajo. Si se mide una tensión mayor de
15 V, debe considerarse a la estructura como peligrosa, y deben tomarse
medidas para reducir el nivel del potencial. Si se determina que la tensión
es menor de 15 Vac, no es necesario tomar medidas específicas, si bien
siempre debe mantenerse la precaución ya que este voltaje puede cambiar
en cualquier momento si cambia la carga que transporta la línea de alta
tensión.
La Norma NACE SP0177, Mitigation of Alternating Current and Lightning
Effects on Metallic Structures and Corrosion Control Systems (Mitigación
de Corriente Alterna y Efectos de Descargas Atmosféricas en Estructuras
Metálicas y Sistemas de Control de la Corrosión), brinda información muy
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Seguridad
útil con respecto a la seguridad. Recomendamos que se familiarice a fondo
con este documento, especialmente con la Sección 5, “Protección del
Personal”. La Norma NACE SP0177 está incluida en la sección de
Apéndices de este manual.
Una tubería paralela a una línea de alta tensión puede alcanzar tensiones
peligrosas si están varios tramos soldados y sobre soportes , pero sin tapar.
Al trabajar con este tipo de líneas, deben tomarse precauciones especiales;
entre las cuales se incluyen: puesta a tierra temporaria del tubo, evitar el
contacto físico con el tubo y otras estructuras de puestas a tierra y evitar el
contacto físico a través de juntas aislantes. En la muestra de diapositivas de
NACE Internacional titulada “Some Safety Considerations During
Construction Near Power Lines (Algunas consideraciones con respecto a la
seguridad durante la construcción cerca de líneas de alta tensión)” se
detallan las precauciones a tomar en estos casos.
Si hay una línea de alta tensión cerca, mida siempre la tensión -a-tierra
antes de medir el potencial de corriente continua estructura-electrolito
o antes de tocar la estructura
Excavaciones
Con frecuencia, el personal de PC debe trabajar dentro de excavaciones. En
todas las jurisdicciones existen regulaciones con respecto a los
requerimientos de las pendientes mínimas para distintos tipos de suelos, o
bien si se requiere un apuntalado. Deben estar colocados los medios para
salir rápida y fácilmente de la excavación (escaleras). Si no están
asegurados, el relleno y los materiales deben estar a un metro o más del
borde de la excavación. Debe impedirse el ingreso de agua a la excavación.
Mientras el operador está dentro de la excavación, debe haber en todo
momento una persona que vigile en la superficie, permaneciendo allí hasta
que el operador salga. Ningún operador está obligado a trabajar en
condiciones inseguras y está en su derecho de negarse a entrar si éste es el
caso. Tenga siempre en cuenta que no es necesario que una persona esté
completamente enterrada para asfixiarse o sufrir un ataque al corazón.
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Seguridad
Materiales Peligrosos
En su trabajo, usted puede encontrarse con materiales peligrosos como los
que se listan a continuación. No manipule estos materiales a menos que
tenga el entrenamiento o certificación adecuados. Estos materiales
incluyen:
• Solventes
• Ácidos que se usan para limpiar metales
• Cáusticos que se usan en las celdas de polarización
•
Sustancias químicas que se usan en los electrodos de referencia.
Planillas de Datos de Seguridad para el Manipuleo
de Materiales (Material Safety Data Sheet - MSDS)
Para cualquier sustancia química y muchos equipos existen planillas de
datos de seguridad (MSDS). Estas planillas suministran información acerca
de los riesgos asociados con sustancias químicas, polvo, productos de
corrosión, etc., y también contienen información importante para los
primeros auxilios o el personal médico. Entre los productos para los cuales
se dispone de información de seguridad, se incluyen:
• Sulfato de cobre
• Ánodos para corriente impresa y galvánicos
• Relleno de carbón de petróleo y metalúrgico.
Estas planillas deben estar siempre disponibles.
• Por ley, usted siempre debe tener planillas MSDS para cualquier
sustancia química que vaya a usarse.
• Conozca, entienda y siga la información y los procedimientos
especificados.
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Seguridad
Productos de Reacción
En un sistema de protección catódica en funcionamiento, pueden generarse
diversos gases, ya sea en la superficie anódica o en la catódica; entre ellos,
oxígeno, gas cloro, dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrógeno.
Algunos gases son potencialmente explosivos. El desplazamiento del
oxígeno por alguno de los otros gases mencionados puede provocar asfixia.
Algunos gases son tóxicos al inhalarlos. Alrededor de los dispersores
(camas) profundos puede haber medios con bajo pH (ácidos).
Debido a estos problemas, deben evitarse las situaciones en que puedan
acumularse los gases generados por un sistema de protección catódica.
Otras Precauciones
Algunas otras precauciones a tener en cuenta que no se han mencionado
más arriba son:
•
Use anteojos, guantes, zapatos e indumentaria de seguridad.
•
Evite las llamas abiertas.
•
Evite provocar chispas eléctricas, especialmente en áreas que puedan
contener un hidrocarburo.
•
Estudie los procedimientos de manipulación/almacenamiento de
sustancias químicas y materiales o equipos peligrosos .
•
Trabajo en altura.
•
Animales, reptiles e insectos
•
Vehículos: Conduzca con precaución y tenga en mente los posibles
riesgos
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CAPÍTULO 5
Mediciones de Campo
Electrodos de Referencia Portátiles
Electrodo de Cobre-Sulfato de Cobre
El electrodo de cobre-sulfato de cobre consiste en una varilla de cobre
inmersa en una solución saturada de sulfato de cobre. Se usa generalmente
para medir el potencial de estructuras enterradas (en suelos) y también para
estructuras expuestas a agua dulce.
Electrodo de Plata-Cloruro de Plata
Los electrodos de plata-cloruro de plata (Ag-AgCl) se utilizan para efectuar
mediciones en agua de mar, y también en estructuras de hormigón.
Electrodo de Referencia de Calomelanos
El electrodo de referencia de calomelanos saturados consiste en mercuriocloruro mercurioso en una solución saturada de cloruro de potasio. Es
básicamente un electrodo de laboratorio.
Electrodo de Hidrógeno Standard (SHE)
El electrodo de hidrógeno standard (SHE) es un electrodo para uso de
laboratorio y es el que determina el potencial de otro electrodo de
referencia de aquellos que se adaptan mejor al uso de campo.
Electrodo de Referencia de Zinc
A veces se utiliza el zinc como electrodo de referencia, ya que el potencial
de este elemento es relativamente estable. En realidad, el zinc es un pseudoelectrodo de referencia, ya que su potencial puede cambiar según cambia el
medio.
Para el uso bajo tierra, el electrodo de zinc viene empaquetado en una bolsa
de tela que contiene el mismo backfill que se usa en ánodos de zinc. En
agua, estos electrodos se utilizan desnudos.
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Mediciones de Campo
5:2
Dióxido de Manganeso
El electrodo de dióxido de manganeso se usa en estructuras de hormigón
reforzado.
Electrodo de Grafito
Es un pseudo-electrodo de referencia que a veces se utiliza en estructuras
de hormigón reforzado.
Valores de Potencial de Algunos Electrodos de Referencia
vs. el Electrodo de Cobre-Sulfato de Cobre
En la Tabla 5.1 se listan algunos valores relativos.
Tabla 5.1 Valores de Algunos Electrodos de Referencia Relativos al Electrodo
de Cobre-Sulfato de Cobre
Electrodo (Hemi-pila) *
Cobre-Sulfato de Cobre
Potencial
(voltios)
0.000
Plata-Cloruro de Plata (saturado)
-0.050
Calomelano Saturado
-0.070
Hidrógeno (SHE)
-0.320
Zinc
–1.100
*Electrodos usados en condiciones standard (de SP0169)
Electrodos Permanentes
Para las instalaciones enterradas se utiliza por lo general un electrodo de
referencia permanente de cobre/sulfato de cobre. Estos electrodos se usan
para reducir la caída IR en puntos inaccesibles. La Figura 5.1 muestra una
de estas unidades permanentes.
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Mediciones de Campo
Figura 5.1 Electrodo de Referencia Permanente
En estructuras offshore se utilizan celdas de referencia de zinc y Ag-AgCl.
En calentadores de petróleo (oil heater-treater), cajas de agua de
intercambiadores de calor y otros recipientes, los electrodos de referencia
pueden instalarse a través de la pared del recipiente en puntos estratégicos.
De la misma manera, en estructuras de hormigón reforzado se instalan
electrodos de referencia permanentes. Para este uso se utilizan distintos
tipos de electrodos.
Aplicaciones Comunes
Potencial Estructura-Electrolito
Fundamento de la Medición
Un potencial estructura-electrolito generalmente es denominado potencial
estructura-electrolito o potencial estructura-suelo. La definición de
potencial estructura-electrolito es:
“La diferencia de potencial entre la superficie metálica de la estructura
y el electrolito que se mide con respecto a un electrodo de referencia en
contacto con el electrolito.”
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Mediciones de Campo
El potencial estructura-suelo es una medición en paralelo. En esta
medición, la resistencia del circuito externo es elevada, por lo que se
requiere un voltímetro de alta impedancia de entrada para obtener una
medición precisa.
Ubicación del Electrodo de Referencia
Para minimizar la caída óhmica en el electrolito, el electrodo de referencia
debe ubicarse lo más cerca posible de la estructura. Cuando se trata de
tuberías o tanques enterrados, la ubicación correcta del electrodo de
referencia será sobre el centro de la estructura. Sin embargo, hay ocasiones
en que intencionalmente se coloca el electrodo de referencia a cierta
distancia de la estructura; esto se analiza más adelante en la sección
“Relevamiento de Potenciales sobre la Superficie” y “Determinación del
Terreno Remoto”.
En tanques de almacenamiento de agua, el electrodo debe colocarse lo más
cerca posible de la pared del tanque. Lo mismo en estructuras costeras
(muelles) y offshore; el electrodo debe estar lo más cerca posible de los
pilotes. En aguas en movimiento, el electrodo puede moverse, de manera
que algunas estructuras están equipadas con cables de guía o ductos de
plástico perforados para restringir el movimiento de los electrodos
portátiles. (Véase Figura 5.2)
Figura 5.2 Celda de Referencia en el Perímetro de un Tanque de
Almacenamiento Sobre Nivel
Para tanques de almacenamiento a nivel, con frecuencia se recogen las
mediciones alrededor del perímetro del tanque. Estas mediciones pueden no
resultar demasiado precisas, especialmente si los ánodos están dispuestos
en forma de anillo alrededor del tanque. En estos casos, los datos más
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Mediciones de Campo
5:5
precisos se obtienen con electrodos permanentes colocados debajo del
fondo del tanque. (Véase Figura 5.3)
Estación de
Medición/
Acceso
Tanque de
Almac. A Nivel
Nivel
Celda de Referencia
Rim
25'
On -1411 -698
Off -902 -664
Center
55'
Rim
-404
-402
-601
-578
-1455
-911
Tubo de
Monitoreo
Potenciales (mV)
Figura 5.3 Celda de Referencia Debajo de un Tanque de
Almacenamiento A Nivel
Relevamiento de Potencial Paso a Paso (Close Interval Survey)
Para determinar variaciones en los niveles de protección catódica, puede
resultar útil una serie de potenciales estructura-electrolito medidos sobre la
parte superior de una tubería. Para determinar si la protección catódica es
adecuada en todos los puntos a lo largo de una determinada estructura se
confecciona un perfil de potenciales. La Figura 5.4 muestra un perfil de
potencial tubo-suelo. Nótese que el electrodo de referencia de cobre/sulfato
de cobre (hemi-celda o celda de referencia) se conecta al terminal negativo
del instrumento de medición.
En un relevamiento paso a paso, los potenciales tubo-suelo se recogen en
forma continua. Generalmente esto se realiza utilizando un colector de
datos (datalogger) y una bobina de alambre con un equipo que posibilita la
medición de distancias. Se utilizan dos electrodos de referencia, en el
extremo de bastones cortos, uno en cada mano. El cable se conecta a la
estación de medición y el operario camina sobre el tubo, haciendo contacto
entre los electrodos y el suelo a intervalos cortos. El operario registra
accesorios y accidentes a nivel a medida que avanza, para poder luego
reconocer a qué puntos corresponden las mediciones. Una vez completado
el relevamiento, los datos se bajan a una computadora y se imprimen
generalmente en forma de gráfico.
El relevamiento se realiza sobre la traza del tubo, por lo que debe asignarse
otro operario para localizar y establecer la línea y suministrar asistencia.
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Mediciones de Campo
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Al medir varias tuberías unidas entre sí, los datos del relevamiento pueden
representar en realidad un promedio de todas las tuberías.
Voltímetro
Reading
+
_
Cu/CuSO
Elect.Ref.
4
Electrolito
Tubo
Potential Profile
Figura5.4 Perfil de Potencial Tubo-Suelo
Mediciones de Circulación de Corriente en el Terreno y
Potenciales sobre la Superficie
Una serie de potenciales medidos entre dos electrodos de referencia pueden
indicar circulación de corriente y el sentido en la tierra, como se ve en la
Figura 5.5. Este tipo de medición se usa a veces para determinar si la
corriente está circulando hacia o desde una estructura. El sentido del flujo
de corriente es del electrodo positivo al negativo.
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Mediciones de Campo
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+ Reading
Electrodo
Referencia
+
_
Voltímetro con
Lectura +
Electrodo
Referencia
Direccion de Corriente
Figura 5.5 Medición de Potencial entre Dos Electrodos de Referencia
Caída Óhmica (IR) en las Lecturas de Potencial
Una de las responsabilidades más importantes es la precisión de los datos.
Sin datos precisos, los responsables del programa de control de corrosión
en su compañía no sabrán con exactitud cuán protegidas están sus
estructuras.
Conocer las caídas óhmicas al medir el potencial es fundamental para
obtener datos precisos.
Voltímetros con Registro
Los voltímetros con registro se utilizan cuando se requiere un registro de
datos en forma gráfica o cuando se desea registrar el potencial durante un
período de tiempo. También se usan en áreas con corrientes vagabundas
donde puede haber variaciones de potencial. Estas variaciones pueden
identificarse fácilmente en el gráfico. Los voltímetros con registro pueden
presentar los datos directamente en gráficos o cuadros o pueden almacenar
los datos para su posterior impresión.
Colectores de Datos (Data Loggers)
Los almacenadores de datos son instrumentos computarizados en los cuales
se pueden ingresar datos, puntos de control y cualquier otra información.
Algunos de ellos son tan pequeños que pueden ubicarse dentro de las
estaciones de medición. Luego de usarlos, estos almacenadores de datos se
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Mediciones de Campo
5:8
conectan a una computadora para descargar la información. La
computadora puede también generar gráficos de los datos. En la Figura 5.6
se muestra una foto de un almacenador de datos.
Datalogger
Figura 5.6 Colector de datos (data logger)
Plotters X-Y
Estos instrumentos tienen dos plumas que registran datos sobre el eje de las
X (horizontal) y el de las Y (vertical). Son muy útiles en zonas de
corrientes vagabundas, donde los potenciales varían constantemente. Son a
menudo usados para generar curvas que relacionan el potencial tubería-riel
y tubería-suelo cuando se trabaja en determinación de corrientes
vagabundas generadas por sistemas de transporte.
Registradores de Papel Continuo
Estos registradores contienen un rollo de papel en donde una pluma registra
el voltaje a medida que el papel se mueve.
Medición de la Corriente
Para obtener una medición de corriente pueden usarse tres métodos: un
amperímetro, una pinza amperométrica, o una resistencia calibrada (shunt).
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Mediciones de Campo
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Uso del Amperímetro
Al medir el flujo de corriente en un circuito eléctrico, el amperímetro se
conecta en serie en el circuito. La conexión en serie se realiza abriendo el
circuito y forzando a la corriente del circuito externo a pasar por el
instrumento para completar el circuito, como se ve en la Figura 5.7.
E
+
_
AMPS
_
RB
RA
RC
+
Conexión en Serie
Figura 5.7 Conexión del Amperímetro
Hoy en día existe una amplia gama de amperímetros disponibles. El
requerimiento más importante de un amperímetro para relevamientos de
protección catódica es su resistencia interna. Ésta debe ser pequeña, para no
agregar resistencia al circuito externo, reduciendo la corriente que circula
por el mismo. Atención: por este motivo, es importante asegurarse de que
el voltímetro no se use como amperímetro al medir voltajes. Esto puede
quemar un fusible o dañar el instrumento.
En la práctica, aún la pequeña resistencia de un amperímetro afectará el
flujo de corriente en un sistema de ánodos galvánicos. Por lo tanto,
generalmente en el circuito permanente de un sistema de ánodos galvánicos
se instalan resistencias calibradas (no en ánodos conectados directamente a
la estructura). De hecho, en la mayoría de los casos las resistencias
calibradas son más precisas que un amperímetro y se las prefiere.
Una medición de corriente en la que se utiliza un amperímetro requiere más
precauciones que una medición de voltaje, dado que debe interrumpirse el
circuito. Antes de hacer esto, el circuito debe desenergizarse. Si el circuito
se interrumpe mientras circula corriente y sus manos actúan como
conectores, su corazón funcionará como interruptor de la corriente externa.
¡Trabaje con cuidado!
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Mediciones de Campo
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Signo del Flujo de Corriente
Si se conecta un amperímetro a un circuito externo de modo que la
corriente fluya hacia el terminal positivo del instrumento, la lectura será
positiva. Si la lectura es negativa, esto indica que la corriente está entrando
en el terminal negativo. Como en protección catódica el sentido de la
corriente es tan importante como su magnitud, usted deberá anticipar la
dirección de la corriente antes de conectar el instrumento al circuito. La
Figura 5.8 ilustra el sentido del flujo de corriente en una medición con
amperímetro. La corriente circula desde el ánodo, a través del suelo, hacia
el tubo, luego a través del instrumento, y de vuelta al ánodo. Nótese que la
corriente ingresa al terminal negativo del instrumento, y por esto la lectura
es negativa.
- 1 0mA
AM PS
+-
a+
TU BO
ÁN OD O
Figura 5.8 Dirección del Flujo de Corriente en una Medición con Amperímetro
Pinzas Amperométricas (Clamp-on Ammeters)
El segundo método para medir corriente es con una pinza amperométrica,
(Ver Figura 5.9). Este instrumento rodea al paso metálico a través del cual
circula la corriente y mide el campo magnético generado por ella. Este tipo
de amperímetros pueden medir corriente alterna y continua.
Las pinzas amperométricas se utilizan generalmente en alambres y cables.
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Mediciones de Campo
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Figura 5.9 Pinza Amperométrica
Existen pinzas amperométricas de corriente continua para tuberías, que
utilizan aros sensores especiales.
Shunts
Este es el tercer método para medir corriente. Al utilizar un shunt, lo que se
mide es la caída óhmica a través de una resistencia de valor conocido y
luego se calcula la corriente.
En la práctica, aún la pequeña resistencia interna de un amperímetro afecta
el flujo de corriente en un sistema de ánodos galvánicos. Por lo tanto,
generalmente se instalan shunts en estos sistemas, pero no en sistemas de
ánodos distribuidos conectados directamente a la estructura. De hecho, en
la mayoría de los casos se prefiere usar shunts y no amperímetros.
Una resistencia calibrada se conecta en serie con el circuito, al igual que el
amperímetro. La corriente se obtiene midiendo el voltaje a través de la
resistencia y calculando la corriente utilizando la Ley de Ohm. La Figura
5.10 muestra una medición con una resistencia calibrada (shunt).
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Mediciones de Campo
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E
+
Icalculada =
_
Vmedida
Rshunt
Voltimetro es
conectado
en paralelo con
el shunt
RA
I
RC
VOLTS
_
+
RB
El shunt de resisten
cia conocida está en
serie en el circuito
Figura 5.10 Medición con Shunt
Cálculo de la Corriente
El valor de la resistencia de un shunt puede darse en ohmios o en
amperios/milivoltios. Si la unidad es el ohmio, use la Ley de Ohm, pero no
olvide de realizar cualquier conversión que sea necesaria para mantener las
unidades utilizadas al aplicar la
fórmula (amperios y voltios o
miliamperios y milivoltios).
Por ejemplo,
Dado
Shunt = 0.01 ohmios
Caída de potencial en el shunt = 50 mV
Calculo de la corriente
1. Transformar unidades de potencial, 50 mV = 0.05 V
2. Calcular la corriente utilizando la Ley de Ohm
I = 0.05 V / 0.01 Ohm = 5 Amperes
Si en el ejemplo anterior quisiéramos estimar la caída óhmica para una
corriente conocida, de nuevo aplicaríamos la Ley de Ohm. Para estimar la
caída óhmica para una corriente de 5 amps, simplemente se despeja el
voltaje en la Ley de Ohm.
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Mediciones de Campo
E = I x R = 5 A x 0.01 Ω = 0.05 V = 50 mV
Un método más sencillo de calcular la corriente es determinar la razón de
amps/milivoltio del shunt. Hay dos valores asociados con el shunt, uno en
amps y el otro en milivoltios. Excepto en los shunts tipo alambre, la
mayoría trae estos valores impresos. Se puede determinar la relación
amps/milivoltios dividiendo el valor en amps por el valor en milivoltios.
Este cálculo nos dice cuántos amps circulan por cada milivoltio que se mide
a través del shunt. Una vez que se mide la caída a través del shunt,
multiplíquela por la razón amps/milivoltios. Esto nos dará el flujo de
corriente a través del shunt en amps.
Por ejemplo,
Dados:
Datos del shunt: 15 amps, 50 mV
Caída de potencial medida: 28 mV
Determine la constante del shunt:
Relación = 15amps/50 mV = 0.3 amps/mV
Calcule la corriente:
Corriente = 0.3 amps/mV x 28 mV = 8.4 amps
Para los shunts que se utilicen regularmente resulta muy útil escribir la
relación directamente sobre el shunt, para acelerar el trabajo al recoger los
datos. Para obtener la corriente, sólo hay que multiplicar este valor por la
caída óhmica en milivoltios.
Dirección del Flujo de Corriente
Además de saber qué cantidad de corriente circula a través del shunt, usted
necesitará determinar el sentido de esa corriente. Esto se hace en la misma
forma que con los voltímetros. Recuerde que cuando la corriente ingresa al
instrumento por el terminal positivo, la lectura será positiva en el
instrumento digital, y la aguja se moverá hacia la derecha en uno analógico.
Recuerde también que el voltímetro está en paralelo con el shunt. Por lo
tanto, la dirección del flujo de corriente a través del instrumento será la
misma que a través del shunt.
Volviendo a la Figura 5.10, nótese que el cable positivo del instrumento
está conectado al terminal izquierdo del shunt y el cable negativo al
terminal derecho. La figura también muestra un instrumento analógico y
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Mediciones de Campo
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nótese que la aguja se ha movido hacia la derecha desde la posición
izquierda de cero. Esto indica que el flujo de corriente va de izquierda a
derecha a través del shunt.
Observe también la batería y la dirección del flujo de corriente por el
circuito. La corriente sale del terminal positivo de la batería y avanza en
sentido anti-horario por el circuito. Por lo tanto, la corriente circula de
izquierda a derecha a través del shunt.
En la Tabla 5.2 se muestran varios tipos de shunts y sus constantes. El
factor del shunt que se da en la tabla está en amperes/milivoltio.
Tabla 5.2 Tipos y Valores de Shunts
Constante del Shunt
Valor del
Shunt
Factor del
Shunt
Amps
mV
Ohmios
A/mV
RS
5
50
.01
.1
SS
25
25
.001
1
SO
50
50
.001
1
SW o CP
1
50
.05
.02
SW o CP
2
50
.025
.04
SW o CP
3
50
.017
.06
SW o CP
4
50
.0125
.08
SW o CP
5
50
.01
.1
SW o CP
10
50
.005
.2
SW
15
50
.003
.3
SW
20
50
.0025
.4
SW
25
50
.002
.5
SW
30
50
.0017
.6
SW
50
50
.001
1
SW
60
50
.0008
1.2
SW
75
50
.0007
1.5
SW
100
50
.0005
2
Tipo Holloway
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Mediciones de Campo
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Tipo J.B.
Agra-Mesa
5
50
.01
.1
Rojo
.5
50
.1
.01
Amarillo
5
50
.01
.1
Naranja
25
25
.001
1
Cott o MCM
Aplicaciones Comunes
En los relevamientos de protección catódica se realizan comúnmente
distintas mediciones de corriente:
• Drenaje de corriente de un sistema de ánodos galvánicos
• Drenaje de corriente del rectificador
• Medir la corriente para determinar el requerimiento de corriente de una
estructura
• Flujo de corriente en una estructura (ésta es una medición de voltaje, y
la corriente se calcula luego)
• Flujo de corriente a través de un puente (bond)
Drenaje de Ánodos Galvánicos
En un circuito de ánodos galvánicos se puede conectar directamente un
amperímetro. Esto no presenta dificultades en una estación de medición
donde se conectan los cables de ánodo y estructura mediante una
planchuela de vinculación. Sin embargo, en muchas estaciones de medición
la conexión se realiza mediante un conector y luego se cubre con cinta.
Abrir esta conexión lleva su tiempo y, una vez realizado el ensayo, debe ser
repuesta.
Como se dijo antes, hasta la pequeña resistencia del amperímetro puede
hacer que el instrumento lea una corriente menor que el drenaje real de
corriente del ánodo. En consecuencia, un shunt conectado al circuito es el
método de medición de corriente preferible.
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Mediciones de Campo
El voltímetro que se usa para medir la corriente a través de un shunt en una
instalación de ánodos galvánicos debe tener una escala muy pequeña para
poder medir pequeños drenajes de corriente. A veces se necesitan
deflexiones a fondo de escala de sólo 2 mV.
Con un shunt, la medición puede realizarse sin necesidad de abrir el
circuito. Esto no sólo ahorra tiempo, sino que también ofrece una lectura
más precisa que la que se obtiene con un amperímetro.
Corriente de Salida del Rectificador
La mayoría de los rectificadores tiene un shunt sobre el tablero.
Generalmente la constante del shunt está impresa sobre el mismo. Se puede
determinar el drenaje de corriente del rectificador midiendo la caída de
voltaje a través del shunt. Luego se compara este valor con el que muestra
el amperímetro del rectificador. Esto sirve como verificación de la precisión
del instrumento.
También se puede insertar un amperímetro en el circuito del rectificador.
Sin embargo, muchos rectificadores tienen drenajes elevados, por lo que es
necesario asegurarse de que el amperímetro pueda soportar la corriente. Al
trabajar con corrientes elevadas también existe un factor de riesgo. Si usted
mide el drenaje de esta manera, asegúrese de que el rectificador esté
apagado al abrir y cerrar el circuito.
Ensayos de Requerimiento de Corriente
En estos ensayos, se imprime corriente en la estructura a proteger y se
miden los cambios de potencial producidos por esa corriente. De los datos
obtenidos puede calcularse la cantidad de corriente requerida para proteger
la estructura.
La corriente en el circuito de ensayo puede determinarse colocando un
amperímetro dentro del circuito o usando un shunt. De nuevo, si se utiliza
un amperímetro, debe tener capacidad suficiente para soportar la corriente
de ensayo.
Flujo de Corriente por una Tubería o un Cable
Una sección de tubo, cable o cualquier estructura larga y delgada de metal
puede servir como shunt. La medición de corriente en una línea es útil para
determinar la distribución de corriente a lo largo de una estructura protegida
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Mediciones de Campo
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catódicamente, para resolver problemas de corrientes vagabundas, y para
localizar zonas con mal revestimiento o un corto circuito.
En esta sección analizaremos dos técnicas para determinar el flujo de
corriente a lo largo de una estructura:
• Estaciones de ensayo de 2 conductores
• Estaciones de ensayo de 4 conductores
Las conexiones a la estructura deben hacerse con cables conectados en
forma permanente; en tubos mal revestidos o desnudos a veces se usan
varillas de contacto.
Estación de Medición de Corriente en una Línea con 2
conductores
En una estación de medición de 2 conductores, estos están conectados a una
longitud conocida de una estructura como una tubería y se conocen el
diámetro y espesor de pared o el peso por metro lineal, se puede calcular el
flujo de corriente que circula por el tramo en estudio. Esto se calcula
midiendo la caída de voltaje sobre el tramo, determinando la resistencia del
tramo mediante una tabla de tuberías, y usando la Ley de Ohm, como si se
tratara de un shunt. La Figura 5.11 muestra la configuración del ensayo. La
Tabla 5.3 ofrece algunos valores de resistencia para tamaños comunes de
tuberías.
Tamaño del caño
espesor deparedy
peso por metro
conocido.
0.17
Los cables deben
ser decolor
+
mV
_
Cañería
Extensióndel Tramo
Figura 5.11 Estación de Medición de Corriente de 2 Conductores
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Mediciones de Campo
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Como la caída de voltaje a través de un tramo de tubería es relativamente
pequeña, con los instrumentos antiguos se hacía necesario usar un factor de
corrección para la caída de voltaje en los cables de ensayo, causada por la
corriente que utiliza el instrumento. En cambio, con los instrumentos de
resistencia de entrada elevada que existen hoy en día, este factor de
corrección ya no es necesario.
Usando un instrumento de alta impedancia, el procedimiento consiste
sencillamente en medir la caída de voltaje entre los cables de ensayo. Por
ejemplo, si la caída de potencial a lo largo de un tramo de 200 pies de un
tubo de 30 pulgadas (76.2 cm.) que pesa 118.7 libras/pie (176.65 kg/m) es
0.17 mV, entonces el flujo de corriente se calcula de la siguiente manera:
Resistencia del tubo/pie
= 2.44 μΩ /pie
= 0.00000244 Ω/pie
Resistencia total = 200 pies x 0.00000244 Ω/pie
= 0.000488 Ω
Caída de potencial medida = 0.00017 V
Corriente (I) = E/R =0.17 mV/0.000488 Ω
= 348 mA ó 0.348 A
Vuelva a la Figura 5.11. Observe que el instrumento muestra una
indicación positiva. Esto significa que la corriente ingresa al instrumento
por el terminal positivo, que está conectado al extremo oeste del tramo.
Como el instrumento está en paralelo con el tramo, el flujo de corriente en
el tubo es de oeste a este.
La precisión de este método depende en gran medida de la precisión con
que se conozcan las dimensiones del tubo. Si existe una sección de tamaño
irregular dentro del tramo, o algún complemento como una válvula, la
resistencia calculada no será la correcta. El método que utiliza 4
conductores elimina estas dificultades.
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Mediciones de Campo
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Tabla 5.3 Tabla de Resistencias de Tubos
Resistencia de Tubos de Acero *(A)(B)
Tama
ño del
tubo
pulg.
Diámetro
Externo
pulg.
cm
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
2.35
4.5
6.62
8.62
10.75
12.75
14.00
16.00
18.00
20.00
22.00
24.00
26.00
28.00
30.00
32.00
34.00
36.00
5.97
11.43
16.81
21.89
27.31
32.38
35.56
40.64
45.72
50.80
55.88
60.96
66.04
71.12
76.20
81.28
86.36
91.44
Espesor de Pared
pulg.
0.154
0.237
0.280
0.322
0.365
0.375
0.375
0.375
0.375
0.375
0.375
0.375
0.375
0.375
0.375
0.375
0.375
0.375
cm
0.39
0.60
0.71
0.82
0.93
0.95
0.95
0.95
0.95
0.95
0.95
0.95
0.95
0.95
0.95
0.95
0.95
0.95
Peso
libras/pie
3.65
10.8
16.0
28.6
40.5
46.6
54.6
62.6
70.6
78.6
86.6
94.6
102.6
110.6
118.7
126.6
134.6
142.6
Resistencia
kg / m
μohms/pie
μohms/m
5.43
16.07
28.28
42.56
60.27
73.81
81.26
93.16
105.07
116.97
128.88
140.78
152.69
164.59
176.65
188.41
200.31
212.22
76.2
26.8
15.2
10.1
7.13
5.82
5.29
4.61
4.09
3.68
3.34
3.06
2.82
2.62
2.44
2.28
2.15
2.03
256.84
87.93
46.87
33.14
23.39
16.09
17.36
15.12
13.42
12.07
10.96
10.04
6.25
8.60
8.01
7.48
7.05
6.66
*Conversiones:1 pulgada = 2.54 cm
1 pie = 0.3048 m
(A) Basado en una densidad del acero de 489 libras/pie3 (7832 kg/m3) y
una resistividad del acero de 18 microhm-cm.
(B) R = 16.061 x resistividad en microhm-cm = Resistencia de 1 pie de
Peso por pie de tubo, microhmios
Estaciones de Ensayo de 4 conductores
Para determinar la corriente en la línea, aún cuando las dimensiones de la
tubería sean desconocidas o haya otras anomalías dentro del tramo, se
puede usar una estación de medición de corriente de 4 conductores. La
Figura 5.12 muestra la configuración.
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0.17
mV
VOLTS
+
Cables
deben estar
identificados
_
+
Fuente
Energia
AMPS
Interruptor
I Corriente
_
_
+
Tubería
Tramo de Tubería para Medir Corriente
Figura 5.12 Estación de Ensayo de 4 Conductores
El procedimiento de este ensayo es el siguiente:
1. Se calibra el tramo haciendo circular una cantidad de corriente conocida
entre los cables externos y midiendo el cambio en la caída de potencial a
lo largo del tramo (ΔE) utilizando los cables internos. Divida el flujo de
corriente en amperes (I) por el cambio en la caída de voltaje en
milivoltios para obtener el factor de calibración (K) en “amperes por
milivoltio.” El factor de calibración se calcula de la siguiente manera:
K = I / ΔE = I / E con la corriente aplicada– E sin la corriente aplicada
Generalmente, si la temperatura de funcionamiento de la tubería es
estable, esto puede hacerse una sola vez, ya que el factor de calibración
puede registrarse para ensayos futuros en la misma ubicación. En
tuberías en las que la temperatura cambia en forma considerable (con
los consecuentes cambios de resistencia), puede ser necesaria una
calibración más frecuente.
2. Mida la caída de potencial en milivoltios a lo largo del tramo (sin la
corriente de la batería) utilizando los cables internos de medición de
potencial. Esta caída de potencial resulta de la corriente que
normalmente circula por la tubería.
3. Calcule el flujo de corriente multiplicando el factor de calibración por la
caída de potencial medida anteriormente:
I (amps)= K (amps/mV) x caída en mV
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4. Observe el signo de la caída de voltaje para determinar el sentido de la
corriente. Si es positivo, el flujo de corriente va del terminal positivo al
negativo del voltímetro. Si es negativo, la dirección del flujo de
corriente es del terminal negativo al positivo.
Basándonos en la Figura 5.12, si 10 A de corriente de la batería pasan de
los cables externos este a los oeste, resultando en una caída de potencial
(ΔE) de:
On = 5.08 mV
Off = 0.17 mV
ΔE = 4.91 mV
Entonces el factor de calibración será:
K=
10 A
10 A
or
= 2.04 A / mV
4.91 m 5.08 − 0.17 mV
Sin la corriente de ensayo aplicada, la caída de voltaje a lo largo del tramo
entre los cables internos es de 0.17 mV. Por lo tanto, el flujo de corriente
es:
I = K x mV drop =
2.04 amps x .017 mV
= .347 Amps = 347 milliamps
mV
Volviendo a la Figura 5.12, observe que al cable interior este está
conectado al terminal positivo de un instrumento digital. El instrumento
muestra una lectura positiva, indicando que la corriente ingresa al
instrumento por el terminal positivo. Repetimos, el instrumento está en
paralelo con el tramo, por lo tanto, la corriente circula por el tubo de este a
oeste.
La mayoría de los instrumentos digitales no miden por debajo de 0.1 mV.
Si se esperan valores menores que 0.1 mV, o si se obtiene una lectura nula
(cero) durante el ensayo, deberá usarse un instrumento más sensible.
Corriente en los Puentes (Bonds)
Los puentes se colocan entre estructuras para conectarlas a los fines de
aplicar protección catódica o para canalizar una corriente vagabunda a su
fuente. Por lo general, los puentes tienen un shunt para permitir medir la
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Mediciones de Campo
magnitud y la dirección del flujo de corriente. El procedimiento para leer
estos shunts es el mismo que se analizó antes en la sección “Shunts”.
Medición de la Resistencia
Mediciones Comunes
En el control de la corrosión se realizan varios tipos de mediciones de
resistencia. Algunos de ellos son:
•
•
•
•
•
•
•
A través de uniones aislantes
Encamisado (casing)-tubo
Continuidad en la estructura
Estructura-estructura
Estructura-ánodo
Estructura-tierra
Ánodo-tierra
En este curso veremos la medición de la resistencia a través de una unión
aislante y entre un casing y un tubo. También se cubrirá la medición de la
continuidad de una estructura y el circuito para prueba de diodos.
Las mediciones se efectúan usando la Ley de Ohm y algunas veces usando
un óhmetro. Estos dos métodos se analizan a continuación.
Usando la Ley de Ohm
Es una de las mejores formas de determinar la resistencia entre estructuras
enterradas o inmersas en un electrolito. Este procedimiento se ha analizado
en relación con el método de 2-conductores para medir flujo de corriente en
una tubería. Se usará de nuevo para medir la resistencia a través de una
conexión aislante. En esta aplicación, se usan una corriente y un voltaje
conocidos, y se calcula la resistencia.
Usando un Óhmetro
Un óhmetro es el medidor de resistencia en un multímetro. Determina la
resistencia suministrando una pequeña corriente o caída de potencial a
través de una resistencia interna y comparando este valor con la resistencia
externa. El voltaje de ensayo del instrumento es voltaje DC (corriente
continua) y es apto para elementos metálicos. Este instrumento no es apto
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para pasajes electroquímicos, porque la corriente continua genera
polarización y un cambio en la resistencia.
Usar un óhmetro para verificar la efectividad de una junta aislante no es
confiable, por las resistencias en paralelo a través del suelo, como se ve en
la Figura 5.13.
.320
+
_
Soil
Parallel resistance path may display low
resistance & indicate shorted insulator
Figura 5.13 Medición de una Junta Aislante Usando un Óhmetro
Si el aislante no está en servicio y no existe un camino en paralelo,
entonces sí se puede usar un óhmetro para el ensayo.
Existen verificadores de aislaciones que se basan en el uso de radio
frecuencia y son más confiables para las aislaciones en servicio.
Continuidad Eléctrica
Todas las partes de una estructura que recibe protección catódica desde una
única fuente, ya sea con ánodos galvánicos o con corriente impresa, deben
tener continuidad eléctrica (metálica). Las estructuras soldadas la tienen
debido a las características de su fabricación. Si no hay continuidad
eléctrica, deben utilizarse uniones con cables o algún otro medio para
establecerla.
Algunos elementos que requieren puentes de unión:
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Mediciones de Campo
•
•
•
•
•
•
Cuplas u otros accesorios de compresión.
Uniones roscadas
Uniones del tipo campana-espiga
Algunos tipos de bridas
Conjunto de pilotes
Armaduras de hierro en hormigones
Las cajas de agua y placas de tubos de los intercambiadores de
calor generalmente se protegen con ánodos colocados dentro de la
caja. La caja de agua está conectada a la carcaza del
intercambiador mediante uniones abisagradas. Es importante
mantener la continuidad eléctrica entre la caja y la carcaza para
proteger la placa de tubos.
Aislación Eléctrica
Propósito y Usos
El objetivo de una aislación eléctrica es confinar la corriente de protección
a la estructura a proteger. Por ejemplo, si se quiere proteger el casing de un
pozo de producción, y éste está conectado a estructuras sin proteger, como
colectores y otros tubos, puestas a tierra u otras estructuras enterradas, parte
de la corriente de protección se perderá protegiendo esas otras estructuras.
Otro ejemplo: cuando se usan ánodos galvánicos para proteger tubos o
tanques bien revestidos, la pérdida de corriente hacia otras estructuras
implica generalmente que éstos no reciben la corriente adecuada para
protegerlos.
Las juntas aislantes también pueden utilizarse para controlar las corrientes
vagabundas. Por ejemplo, colocar aislaciones estratégicamente en una red
de tuberías puede aumentar la resistencia longitudinal lo suficiente como
para minimizar la recolección de corrientes vagabundas.
En intercambiadores de calor donde la placa de tubos es, por ejemplo, de
metal Monel y la caja es de hierro dúctil, generalmente lo ideal es proteger
sólo la caja. Esto puede lograrse aislando eléctricamente de la carcaza.
Hay situaciones en las que no sólo no es práctico, sino que tampoco es
recomendable aislar estructuras protegidas de estructuras no protegidas. Por
ejemplo, en refinerías, plantas industriales, playas de tanques grandes y
otras instalaciones complejas, ya que hay muchas conexiones enterradas y
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Mediciones de Campo
habría que poner una junta dieléctrica en cada una de ellas, haciendo poco
práctico y económico su mantenimiento; además, un corto circuito podría
hacer que muchas estructuras perdieran la corriente de protección.
A veces es recomendable suministrar una protección catódica conjunta a
varias tuberías de distintas compañías, en especial cuando se encuentran
todas dentro de la misma traza. En estos casos, se pueden conectar las
tuberías y protegerlas con una serie de rectificadores, y cada compañía
asume la responsabilidad sobre una porción del sistema.
Juntas Aislantes
Los elementos comerciales disponibles para aislación eléctrica incluyen:
•
•
•
•
•
Bridas
Cuplas
Uniones
Juntas de aislación monolíticas
Tubería y elementos estructurales no metálicos
Contactos Accidentales
Algunos de los puntos donde puede comprometerse la aislación
eléctrica son:
• Estructuras que se cruzan. Contactos accidentales bajo tierra en el punto
donde se cruzan las líneas. Un buen ejemplo es una línea de agua de
cobre en contacto con una línea de gas de acero. Aún si la línea de gas
está revestida, el movimiento de la tubería puede hacer que la línea de
cobre desgaste el revestimiento y entre en contacto con el acero.
• Conexiones. Se pueden hacer varias conexiones a una estructura
protegida, entre ellas, telemedición y otros equipos de monitoreo
remoto, actuadores eléctricos de válvulas, líneas de medición, etc. Si
estas conexiones hacen un by-pass en un accesorio aislante, se producirá
un corto circuito. Debe prestarse atención a estas conexiones y
cualquier otro corto circuito. Una de las causas de que una estructura no
llegue a alcanzar el criterio de protección, puede ser justamente un corto
circuito. Al realizar la rutina diaria de medición, asegúrese de que no
haya cortos.
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Mediciones de Campo
• Casing. Los casings deben estar eléctricamente aislados de los tubos de
transporte para no funcionar como pantalla entre la tubería y la
protección catódica. En el Capítulo 9 se muestra un casing
correctamente aislado. Si usted debe participar o asistir en la instalación
de un encamisado, es importante que garantice la correcta aislación.
• Puestas a tierra: Pueden surgir problemas adicionales con los
equipos de puesta a tierra y con los puentes de seguridad. Una
vez más, es fundamental asegurar que puestas a tierra y
puentes no pongan en corto circuito a ningún accesorio aislante.
Algunos métodos para verificar un accesorio aislante son:
• Medir el potencial tubo-suelo a cada lado del elemento aislante con el
electrodo de referencia en una posición estática. Si la diferencia en los
potenciales es de aproximadamente 100mV o más, el accesorio aislante
es efectivo. Si es menor a 100 mV, entonces pueden ser necesarias otras
mediciones.
• Si la corriente de protección catódica puede interrumpirse, se pueden
registrar los potenciales tubo-suelo “on” y “off” a cada lado del
accesorio aislante, con la celda de referencia en la misma ubicación. Si
los potenciales “on” y “off” a cada lado del accesorio son similares, esto
indica un corto. Si el potencial “on” es menor en el lado del aislante que
no recibe el drenaje de corriente, entonces el accesorio es efectivo.
• Si no hay corriente de protección catódica para interrumpir o si hacerlo
resulta difícil, se puede establecer un drenaje temporario de corriente y
registrar mediciones “on” y “off” como se describió antes.
Medición de la Resistencia entre un Tubo y un
Encamisado
El procedimiento es el mismo que se usa para medir la resistencia a través
de un elemento aislante. Se conecta la corriente de ensayo entre los cables
del tubo y los del casing. Si este último tiene un solo cable, se usa el venteo
como segundo cable.
Medición de la Continuidad de la Estructura
Existen varias formas de medir la continuidad en la estructura.
Analizaremos solamente el método de electrodo de referencia fijo y
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conexión móvil. En este ensayo se coloca un electrodo de referencia en un
punto fijo y el cable positivo del multímetro se coloca en contacto con
diversas partes de la estructura. Si en cada contacto se mide esencialmente
el mismo potencial estructura-electrolito, esto es indicación de continuidad.
Es posible que una porción aislada de la estructura tenga el mismo
potencial que el resto de la misma. Si usted sospecha que éste es el caso, se
requerirán otros ensayos, que están más allá del objetivo de este curso.
La continuidad en tuberías, cables y estructuras similares también puede
medirse usando un localizador de tubo o cable. Estos instrumentos se
estudiarán más adelante en este capítulo.
Circuito para Verificación de Diodos
Este es un multímetro operado en el modo voltaje. Un diodo que funciona
adecuadamente mostrará normalmente una lectura de 0.3 V a 0.9 V cuando
el borne positivo está conectado al ánodo, y el borne negativo al cátodo. En
la situación inversa, cable positivo al cátodo y cable negativo al ánodo, un
diodo que funciona correctamente, mostrará “OL” (“overload”-sobrecargao “out of limits”-fuera de los límites).
Para los diodos en corto circuito, el instrumento mostrará un valor de
voltaje bajo en las dos configuraciones de conexión. En el caso de un diodo
abierto, el instrumento mostrará “OL” para las dos configuraciones de
conexión.
Para verificar correctamente el funcionamiento del diodo, al menos un
cable debe estar desconectado del circuito. Los diodos no pueden ser
verificados correctamente mientras están conectados en el circuito o con
suministro de energía.
Medición de la Resistividad del Electrolito
Método de Cuatro Puntas de Wenner
La mayoría de las mediciones de resistividad de suelos se realizan mediante
el método de las cuatro puntas de Wenner. Este método se usa para
determinar la resistividad del suelo dentro de un área. El procedimiento de
Wenner requiere clavar cuatro varillas metálicas en la tierra, sobre una
línea, equidistantes. La separación entre las varillas equivale a la
profundidad de la resistividad promedio del suelo, como se indica en la
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Figura 5.14. La resistividad promedio del suelo está en función de la caída
de potencial entre el par central de varillas con la corriente circulando entre
las dos varillas externas. Una vez medida la resistencia con una separación
dada, puede cambiarse esta separación y medir la resistencia con este nuevo
valor.
C1
P1
a
C2
P2
a
Instrumento para medir
resistividad
a
ρ = 2 π aR
Figura 5.14 Método de Cuatro Puntas (Wenner) para Medir Resistividad de
Suelos
Es importante que las varillas se hallen sobre una línea recta y que sean
equidistantes entre sí. Las estructuras metálicas cercanas producirán una
lectura falsa, ya que pasan a formar parte del circuito medido. Por lo tanto,
la varilla más cercana debe estar por lo menos a una distancia igual a 1.5
veces la separación entre varillas de cualquier estructura metálica. Si esto
no es posible, las varillas deben colocarse en ángulo recto con la estructura
enterrada.
La resistencia, “R”, para cada separación de varillas “a”, es la resistencia
desde el nivel de la superficie hasta una profundidad igual a la separación
entre pins.
Usando el método de Wenner, la resistividad del suelo, ρ (letra griega rho),
en ohm-cm se determina por:
ρ = 2 π a R = 6.28 x a x R
Con “a” en centímetros y “R” en ohmios
Para obtener “ρ” en ohm-cm, si “a” está en pies y “R” en ohmios, la
fórmula pasa a ser:
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ρ = 191.5 x a x R
Puede suceder que usted tenga que recoger datos para calcular las
resistividades de distintas capas de suelo. La Figura 5.15 muestra una típica
situación de capas.
a1
ρ 1 avg
a2
ρ 2 avg
ρ 1 capa
ρ 3 avg
ρ 2 capa
ρ 3 capa
a3
Figura 5.15 Resistividad Promedio y de Capas
Esta medición se realiza tomando mediciones con un espaciamiento entre
varillas cada vez mayor. Es importante que la separación entre varillas esté
centrada en un punto fijo entre las dos varillas centrales. Esto significa
mover las cuatro varillas, alejándolos cada vez más, de manera tal que el
punto central de la medición esté siempre centrado entre las dos varillas
internas.
Para garantizar la precisión, es aconsejable realizar dos conjuntos de
mediciones, perpendiculares entre sí. Esto ayudará a revelar cualquier
anomalía en las capas del suelo.
Caja de Suelos
El método de la caja de suelos se usa para medir la resistividad de un
electrolito que ha sido removido de su medio natural. También puede
usarse para medir la resistividad de un líquido.
Si se lo utiliza para medir la resistividad de un suelo, la muestra de suelo
debe apisonarse en una caja simulando la compactación natural y enrasar el
material. Debido a que no siempre resulta fácil simular la compactación
natural y el contenido natural de humedad, los resultados del ensayo pueden
variar con respecto a las mediciones de resistividad in situ.
Una caja de suelos consiste en dos placas en el extremo de la caja para que
circule la corriente y dos puntas en el centro para medir la caída de
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potencial, como se ilustra en la Figura 5.16. Si la superficie de la sección
transversal y la distancia lineal entre las puntas de medición de caída de
potencial son iguales, el factor de calibración de la caja será de 1. Por lo
tanto, la resistencia medida equivale a la resistividad de la muestra en ohmcm. La caja de suelo se conecta al instrumento de medición de resistividad
de la misma manera que en el método de Wenner.
Resistivímetro
C1
P1
C2
P2
Caja de Suelos
Electrodos Corriente
Puntas de Potencial
Fig. 5.16 Caja de Suelos para Medir Resistividad
Si dispone de una caja de suelos y un instrumento para medir la
resistividad, tómese el tiempo ahora de trabajar con ellos; conecte los
instrumentos como se ve en la Figura 5.16. Llene la caja con agua y
cualquier muestra de suelo disponible.
Sonda de Resistividad
Este método se usa para determinar la resistividad del suelo en la vecindad
inmediata al extremo de una jabalina enterrada a la profundidad deseada
para la medición. Este método es útil para:
• Determinar rápidamente resistividades locales a lo largo de la zanja de
una tubería durante la construcción (para usar luego al diseñar el sistema
de protección catódica).
• Verificaciones puntuales de la resistividad del suelo o el agua
Este método de una jabalina se ilustra en la Figura 5.17.
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Mediciones de Campo
Figura 5.17 Medición de la Resistividad del Suelo con una Única
Jabalina
Medición del pH
La resistividad del electrolito puede medirse de diferentes maneras. Para los
líquidos, puede usarse el papel de pH (tornasol) o un medidor de pH. Para
suelos, puede usarse un medidor de pH, o se puede realizar un filtrado de
agua destilada y una muestra del suelo y el pH medido con papel tornasol,
medidor de pH o un kit de medición de pH. Nótese que un medidor de pH
utiliza un electrodo de vidrio con un bulbo de vidrio bastante frágil abajo.
Al utilizar estos instrumentos, debe tener cuidado de no romper el bulbo del
electrodo.
El pH del suelo también se puede medir usando un electrodo de antimonio
y un electrodo de cobre/sulfato de cobre. El electrodo de antimonio consiste
en una punta de antimonio en el extremo de un tubo no-metálico. Esta
punta se conecta a un terminal en la parte superior del tubo.
Es importante mantener el antimonio brillante y limpio. Para limpiarlo
utilice papel esmeril. No use virutas de acero u otro abrasivo metálico, ya
que pueden penetrar partículas del metal en el antimonio y afectar la
medición.
Las dos celdas se colocan cercanas entre sí en el suelo y se conectan a un
voltímetro. No importa qué celda se conecte a qué terminal del instrumento,
ya que lo que interesa es la diferencia de potencial entre los dos electrodos.
Asegúrese de que el sulfato de cobre no entre en contacto con la punta de
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Mediciones de Campo
antimonio. A un lado del electrodo de antimonio hay una escala calibrada
en milivoltios y pH. Una vez medido el potencial, se puede determinar el
pH usando esta escala
.
Uso de Dispositivos para Localizar Tuberías
Al realizar mediciones de corrosión, frecuentemente es necesario
determinar con precisión la ubicación de elementos enterrados, como una
tubería, conducto o tanque de almacenamiento. También es importante
determinar los puntos de continuidad y discontinuidad eléctrica. Un
localizador de tuberías y cables puede ahorrar mucho tiempo para realizar
estas determinaciones.
La mayoría de estos localizadores incluyen un transmisor y un receptor. El
transmisor es una fuente de radiofrecuencia que se usa para imprimir una
señal a la estructura. El receptor recibe esta señal desde la estructura y la
convierte, igual que un amplificador de sonido. Tanto el sonido de la señal
como la frecuencia y velocidad del pulso, se pueden controlar con el
transmisor. El receptor controla el volumen de la señal. El sonido puede
recibirse por medio de auriculares o de un parlante. En una zona ruidosa
pueden ser preferibles los primeros. Si usted debe trabajar continuamente
con un localizador de tuberías, tal vez prefiera el parlante.
Existen dos tipos de localizadores de tuberías. Algunos contienen ambas
formas de operación en la misma unidad:
• Conducción
• Inducción
Operación por Conducción
Este tipo de localizador usa una señal alternada de radiofrecuencia
conectada a la estructura directamente con un cable.
El transmisor convierte la corriente continua proveniente de las baterías a
corriente alterna mediante un oscilador. Esta corriente alterna puede pasar
luego a través de un transformador para suministrar una salida de varios
cientos de bolas. Este voltaje AC está conectado entre la tierra y la
estructura a localizar. La señal AC circulará entonces a través de la tierra
hacia la estructura y finalmente a la conexión con la estructura para
completar el circuito.
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Mediciones de Campo
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Cuando el receptor está cerca de la estructura, el campo AC alrededor de la
misma induce un voltaje en la bobina. Este voltaje se amplifica en forma de
señal audible para el operario.
La Figura 5.18 ilustra el principio de un localizador conductor.
Transmitter
Receiver
Pipe
Figura 5.18 Principio de un Localizador de Tubos por Conducción
La Figura 5.19 corresponde a uno de los instrumentos disponibles en el
mercado.
Figura 5.19 Localizador de Tubos por Conducción
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Mediciones de Campo
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Inductivos
Un localizador que opera por inducción utiliza una señal AC de
radiofrecuencia, que se induce en la estructura a localizar mediante una
bobina de inducción que forma parte del transmisor.
Los localizadores del tipo inductivo permiten la localización de estructuras
metálicas enterradas en los casos en que no es posible conectar un cable
directamente a la estructura, como en los localizadores por conducción.
Esto se logra por medio de una bobina en el transmisor que establece un
fuerte campo magnético que induce una corriente alterna en la estructura.
El campo AC alrededor de la misma puede detectarse de manera similar a
la descrita para el localizador por conducción.
La Figura 5.20 ilustra el principio de un localizador que opera por efecto
inductivo.
Transmisor
Receptor
Pipe
Figura 5.20 Principio de un Localizador de Tubos por Inducción
Uso de Interruptores de Corriente
Frecuentemente se desea conocer el efecto de una fuente de corriente en
varias ubicaciones remotas. Para esto, se incorpora un interruptor de
corriente en la fuente. Un interruptor es una llave que se prende y se apaga
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Mediciones de Campo
5:35
alternativamente en un ciclo regular mediante algún medio, ya sea
mecánico o electrónico. En la Figura 5.21 se muestra un interruptor de
corriente.
Figura 5.21 Interruptor de Corriente
Mediciones con Cupones
Los cupones se usan con frecuencia para verificar la efectividad de la
protección catódica. Están hechos del mismo metal que la estructura y
conectados a ella eléctricamente. Se pesan antes de la instalación y luego en
forma periódica, para determinar si han perdido peso, ya que esto
evidenciaría la corrosión.
Algunas estaciones de medición están equipadas con un cupón, de forma tal
que las mediciones de potencial estructura-suelo pueden hacerse
básicamente sin caída óhmica. Algunas de estas estaciones de medición
incluyen un electrodo de referencia permanente y otras tienen un tubo por
el cual puede bajarse el electrodo de referencia.
Para monitorear la efectividad de la protección catódica también se utilizan
probetas de variación de resistencia eléctrica (probetas ER). Se las puede
colocar enterrados, dentro de tanques de almacenamiento de agua u otros
contenedores, o en estructuras marinas. Se usa un instrumento que mide
eléctricamente la velocidad de corrosión. Si la protección es efectiva, la
velocidad de corrosión será igual a cero.
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Interferencia por Corrientes Vagabundas
6:1
Definiciones
La interferencia es cualquier perturbación eléctrica en una estructura metálica
causada por una corriente vagabunda. Corriente vagabunda puede definirse
como una corriente que circula hacia una estructura que no forma parte del
circuito eléctrico previsto. Para que haya corrosión a causa de las corrientes
vagabundas, debe haber un intercambio de corriente entre una estructura
metálica y un medio electrolítico.
Efectos
Las corrientes vagabundas continuas, en oposición a las alternas, tienen el
efecto más pronunciado sobre la corrosión. La corriente continua (DC)
circula continuamente en una misma dirección. La corriente alterna
(energía comercial alterna de 50 o 60 ciclos) invierte su dirección 100 ó120
veces por segundo. Con algunas excepciones, las corrientes alternas no
generan una corrosión significativa en los materiales estructurales comunes.
La corriente alterna puede constituir un serio peligro para la seguridad.
Según la Ley de Faraday, el peso de metal corroído es proporcional a la
cantidad de corriente que se descarga desde el metal hacia el electrolito. La
corrosión por corrientes vagabundas es un problema, ya que por lo general
son corrientes muy grandes. Mientras que la corrosión natural puede generar
algunos miliamperios de corriente, una corriente vagabunda puede ser de
varios cientos de amperes. Una corriente de 100 amperes (perfectamente
razonable para algunos sistemas de transporte ferroviarios) destruiría 9,100 kg
(2,000 libras) de acero en un año. Por lo tanto, al encontrar una corriente
vagabunda, es necesario encontrar la fuente que la origina e implementar una
solución.
Fuentes
Las corrientes vagabundas pueden producirse por cualquier sistema que
conduce una corriente eléctrica y tiene dos o más puntos de contacto con un
electrolito. Estos puntos de contacto deben tener alguna diferencia de
potencial entre ellos.
Las fuentes más típicas de corrientes vagabundas son:
1. Sistemas de protección catódica en estructuras enterradas o sumergidas
(esto se llama interferencia).
Interferencia por Corrientes Vagabundas
6:2
2. Sistemas de transporte eléctricos (llamadas corrientes vagabundas de
sistemas de tracción).
3. Sistemas de Soldadura en donde la conexión a tierra de la estructura está a
alguna distancia de los electrodos de soldadura.
4. Líneas de transmisión eléctrica (peligro de AC inducida).
5. Sistemas de transmisión de alto voltaje DC (HVDC) (principalmente en
operación unipolar).
6. Corrientes telúricas (asociadas a la actividad de las manchas solares y el
campo magnético terrestre).
Más allá de la fuente, las corrientes que circulan en un electrolito producen
diferencias de voltaje (gradientes) en el electrolito. Si una estructura metálica
(tubo, cable, pilote, etc.) cruza un gradiente de voltaje, se generará una
corriente en la estructura. En el punto en que la estructura colecta la
corriente, estará protegida; la corrosión ocurre en el punto en que la corriente
abandona el metal y reingresa al electrolito.
Tipos de Corrientes Vagabundas
Corrientes Vagabundas Dinámicas
Las corrientes vagabundas dinámicas varían en magnitud y muchas veces
en dirección. Estas corrientes pueden ser de origen natural o artificial.
Las corrientes vagabundas dinámicas artificiales provienen de fuentes como
sistemas eléctricos de transporte ferroviario u operaciones de minería o
equipos de soldadura por arco.
Las corrientes telúricas son corrientes vagabundas dinámicas que ocurren
naturalmente debido a perturbaciones en el campo magnético terrestre por
la actividad de las manchas solares. Se encuentran comúnmente en tubos de
gran longitud, en latitudes altas, pero también se las ha visto en latitudes
más bajas. La cantidad de corrosión, si es que causan corrosión, que causan
las corrientes telúricas es un tema aún en discusión, pero sí se sabe que
generan grandes variaciones en las mediciones de potencial tubo-suelo y de
flujo de corriente.
Corrientes Vagabundas de Estado Estacionario
Las corrientes vagabundas de estado estacionario mantienen una magnitud
y una dirección constantes. Ejemplos de ellas son la interferencia de un
Interferencia por Corrientes Vagabundas
6:3
sistema de protección catódica y la corriente que proviene de los electrodos
de puesta a tierra en líneas de transmisión de alto voltaje DC (HVDC).
Identificación de las Corrientes Vagabundas
Corrientes Vagabundas Dinámicas
Indicaciones en las Mediciones
Las corrientes vagabundas dinámicas se manifiestan como fluctuaciones en
los potenciales estructura-electrolito y, en tubos, como variaciones en el
flujo de corriente que transita por la línea. Si usted se enfrenta con este tipo
de fluctuaciones, debe considerar la presencia de corrientes vagabundas.
Para determinar el grado de las fluctuaciones y la fuente de la corriente
vagabunda es necesario llevar a cabo ensayos adicionales.
Para determinar la magnitud de las fluctuaciones, se usa un instrumento
registrador, como un datalogger o un registrador de papel. Estos
instrumentos acumulan o muestran las mediciones durante el período de
prueba, de manera que puede evaluarse la actividad de la corriente
vagabunda. La Figura 6.1 muestra un típico registro de potenciales
producidos por una corriente vagabunda dinámica.
POTENCIAL
TIEMPO
Figura 6.1 Registro de Corrientes Vagabundas Dinámicas
Proximidad de las Posibles Fuentes
Aún antes de encontrar mediciones fluctuantes, es posible que usted
sospeche que está trabajando en una zona de corrientes vagabundas. La
Interferencia por Corrientes Vagabundas
6:4
presencia de cualquiera de las fuentes listadas antes debe hacerlo estar
atento a encontrar una corriente vagabunda dinámica.
Una vez localizadas las posibles fuentes de corriente vagabunda y una vez
demostrada su presencia mediante mediciones, es necesario determinar
precisamente cuál es la fuente. Esto se hace con una serie de ensayos entre
la posible fuente y la estructura afectada. En este curso no describiremos
este tipo de ensayos, por estar fuera del alcance y objetivos del mismo.
Corrientes Vagabundas de Estado Estacionario
Indicaciones en las Mediciones
La corriente de interferencia puede reconocerse de varias maneras:
• Cambios en el potencial estructura-electrolito
• Cambios en el flujo de corriente en una tubo
• Picado localizado cerca o inmediatamente adyacente a una estructura
foránea
• Rotura del revestimiento en un área localizada cerca de un dispersor u
otra fuente de corrientes vagabundas.
Si usted está realizando un relevamiento de rutina y encuentra un área en la
que los datos han cambiado significativamente con respecto al relevamiento
anterior, debe sospechar que puede haber corrientes vagabundas de estado
estacionario. Un gráfico como el que muestra la Figura 6.2 indicaría la
presencia de interferencia catódica.
POTENCIAL
-1.5
-1.0
VOLTIOS
-0.5
0.0
PUNTO DE INTERFERENCIA
SOSPECHADA
LONGITUD ESTRUCTURA
Figura 6.2 Gráfico de Potenciales Tubo-Suelo que Indica Interferencia
Catódica
Interferencia por Corrientes Vagabundas
6:5
Localización de Estructuras Foráneas y Rectificadores
Una vez más, en algunos casos usted puede identificar los posibles
problemas de interferencia sólo con mirar alrededor de la estructura. Si
usted ve por ejemplo un nuevo cruce con un tubo o una playa de tanques en
construcción, es recomendable establecer quién es el dueño y si las
estructuras tienen protección catódica por corriente impresa. (Es poco
frecuente que los ánodos galvánicos generen interferencia.)
Mientras recorre su territorio, esté alerta a los rectificadores de protección
catódica. Si encuentra uno que no había visto antes, o uno nuevo en
reemplazo de uno viejo, el nuevo rectificador puede ser una fuente de
corriente de interferencia.
Al hablar con colegas de su empresa o de otras compañías, tal vez usted se
entere de que han modificado las condiciones de salida de corriente y/o
tensión de algún rectificador. En este caso, puede generarse un problema de
interferencia en sus estructuras.
Control de la Corrosión por Corrientes
Vagabundas
Hay muchas maneras de controlar una corriente vagabunda. A veces es
posible reubicar o eliminar la fuente de la corriente. Las estructuras
planificadas pueden re-localizarse para evitar la fuente. Entre los métodos
más comunes se halla la instalación de uniones mitigantes y el uso de la
protección catódica.
Uniones Mitigantes (Mitigation Bonds)
Las uniones mitigantes, llamadas también uniones o cables de drenaje o
simplemente drenajes, suministran un paso metálico entre la estructura
afectada y la fuente de la corriente vagabunda. Esto permite que la corriente
sea drenada a través del cable de vuelta hacia la fuente, en lugar de
abandonar la estructura a través de la tierra.
En estas uniones puede incorporarse una resistencia para controlar la
cantidad de corriente vagabunda a drenar. Si se trata de corrientes
dinámicas, puede ser necesario instalar un diodo o interruptor para revertir
la corriente (reverse current switch), para impedir que el flujo de corriente
se invierta.
Los drenajes requieren mantenimiento. Si no se los mantiene, la estructura
afectada puede padecer una corrosión muy seria. Una parte importante de
su trabajo consistirá en realizar inspecciones regulares, que son obligatorias
Interferencia por Corrientes Vagabundas
6:6
en varias industrias reguladas, para asegurarse de que la unión esté
funcionando y drenando la cantidad apropiada de corriente.
La Figura 6.3 muestra el uso de un drenaje para resolver un caso de
corriente vagabunda proveniente de un sistema de transporte ferroviario. La
Figura 6.4 muestra una unión similar para mitigar la interferencia
proveniente de un sistema de protección catódica.
DC
Subestación
Cable de
Alimentación Positivo
Corriente para
Operacion del
Tren Eléctrico
+
Retorno Negativo por
Vías
_
Drenaje
Puente para
continuidad
Figura 6.3 Drenaje para Controlar la Corriente Vagabunda Proveniente
de un Sistema de Transporte Ferroviario
Corriente de Prot.
Recogida por
Línea Foránea
Corriente de Protección
Protección
Catódica
p
Corriente de Interferencia
(Corrosiva) Circulando por
la Tierra para Retornar a
La Línea Protegida
UNIÓN DE
MITIGACIÓN
Línea Protegida
Línea Foránea o Afectada
Figura 6.4 Puente para Resolver un Problema de Interferencia Catódica
Interferencia por Corrientes Vagabundas
6:7
Mitigación con Protección Catódica
En algunos casos puede aplicarse protección catódica para resolver
problemas de corrientes vagabundas. Esto funcionará si la corriente
vagabunda no es tan grande como para que no pueda ser superada por la
corriente de protección catódica. Una ventaja de usar protección catódica es
que se evita el uso de uniones y los problemas de instalación y
mantenimiento que traen aparejados.
Los ánodos galvánicos pueden usarse para resolver problemas de
interferencia catódica. Se colocan los ánodos en la zona de descarga de la
corriente. En este curso no analizaremos las mediciones y diseños de este
tipo de sistemas.
EXPERIMENT0 6.1
Interferencia por Corrientes Vagabundas
6:8
Experimento 6.1 — Demostración de la
Interferencia Catódica
_9 VDC
+
C
Barra de Acero Ajena
Placa
de Acero
B
A
D
E
F
Ánodo de
Corriente Impresa
V
V
Procedimiento
1. Prepare el experimento como se muestra en la figura, sin la barra de
acero (estructura foránea).
2. Mida y registre los potenciales de la estructura catódicamente protegida,
la placa de acero, en las posiciones A, B y C.
3. Desconecte el sistema de protección catódica.
4. Coloque la barra de acero (estructura foránea) en la bandeja dentro del
agua, como se ve en la figura.
5. Mida y registre los potenciales en la estructura foránea en las posiciones
D, E y F.
6. Conecte el sistema de protección catódica.
7. Repita el Paso 5.
8. Repita el Paso 2.
Interferencia por Corrientes Vagabundas
6:9
Resultados
Paso
Potenciales de la Estructura
Catódicamente Protegida
(mV)
A
B
C
Potencial de la Estructura
Foránea (mV)
D
E
Paso 2
Paso 5
Paso 7 y 8
CONCLUSIONES
1. En la posición F se colecta la corriente vagabunda y se verifica un
desplazamiento negativo del potencial de la estructura foránea.
2. En la posición D se descarga la corriente vagabunda y se verifica un
desplazamiento positivo del potencial de la estructura foránea.
3. Los potenciales en la estructura catódicamente protegida se alteran por
la presencia de la estructura foránea, porque la distribución de corriente
ha sido perturbada.
F
CAPÍTULO 7
Monitoreo de la Efectividad de la Protección Catódica y
Almacenamiento de Registros
Introducción
Las mediciones de campo representan una parte muy importante del
monitoreo de cualquier sistema de control de la corrosión. Si bien hoy en
día se usan muchos sistemas de monitoreo remoto, sigue siendo necesario
recoger los datos en campo para asegurar que el sistema de protección
catódica funciona correctamente y suministra la protección adecuada a la
estructura.
Es fundamental obtener datos claros y precisos. Los datos se usarán para
evaluar la efectividad de la protección catódica, los drenajes para controlar
situaciones de interferencia, los mecanismos de control de corrientes
vagabundas, etc. Si no son precisos y correctos, la evaluación será
equivocada y los responsables del programa de control de corrosión
pensarán que los sistemas funcionan correctamente, cuando tal vez no sea
así. Esto puede resultar en fallas, pérdidas, incendios, explosiones y otras
situaciones peligrosas.
Usted debe conocer los instrumentos con los que trabaja y saber qué errores
son posibles. Esto significa comprender en profundidad los instrumentos
que se usan y saber qué datos deberían aparecer. Significa tomarse el
tiempo en el campo de revisar los datos para asegurarse de que sean
correctos. Recuerde, si los datos no parecen correctos, probablemente no lo
sean. Obviamente, los datos inusuales pueden indicar un
malfuncionamiento del sistema, y es importante reconocer también estas
situaciones.
Razones para el Monitoreo
La razón más obvia para monitorear la protección catódica es asegurarse de
que la corrosión esté bajo control. Cuando una estructura se corroe, puede
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Monitoreo de la Efectividad de la Protección Catódica y Almacenamiento de
Registros
haber pérdidas de producto y ocurrir daños estructurales. También existen
las cuestiones de seguridad pública y daño al medio ambiente. Por esto, en
muchas industrias y países se han establecido regulaciones para garantizar
que las estructuras que contienen productos peligrosos estén protegidas en
forma adecuada, para reducir el riesgo al público y al medio ambiente.
Exigencias de Monitoreo
Si bien los entes reguladoras han adoptado los estándares elaborados por
NACE, muchos (International Standards Organization (ISO), Det Norske
Veritas (DNV), etc.) han ido un paso más allá, especificando las
mediciones e intervalos específicos en que deben realizarse. Las
mediciones no sólo incluyen potenciales estructura-electrolito, sino también
otros métodos indirectos de monitorear la protección en un sistema entre
dos relevamientos de potencial. En la industria de transporte por tuberías de
los Estados Unidos, el U.S. Department of Transportation (DOT) está
realizando esfuerzos para poner en vigencia los standards de “Operator
Pipeline Qualification” (Calificación de Operador de Tuberías), que
regularán las calificaciones que debe tener el personal que monitorea la
protección catódica.
En los Estados Unidos, la mayoría de las instalaciones que contienen
materiales peligrosos está regulada por agencias que son las que hacen
cumplir el Code of Federal Regulations (CFR). Los requerimientos de
control de corrosión pueden encontrarse en estas partes del código:
• Natural Gas Pipelines – 49 CFR, Part 192, Subpart I
• Liquefied Natural Gas 49 CFR, Part 193, Subpart G Hazardous Liquids
49 CFR, Part 195, Subpart D
• Underground Storage Tanks 40 CFR, Part 280
Monitoreo de la Protección Catódica
Para determinar si un sistema de protección catódica está funcionando
correctamente y protegiendo una estructura de la corrosión, se registran los
siguientes datos en forma periódica:
• Potencial estructura-electrolito.
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Monitoreo de la Efectividad de la Protección Catódica y Almacenamiento de
Registros
•
•
•
•
•
Tensión y corriente de salida de rectificadores.
Drenaje de corriente de los ánodos galvánicos.
Magnitud y dirección de la corriente a través de los drenajes.
Resistencia de los dispersores (camas anódicas)
Integridad de rectificadores, juntas aislantes, uniones eléctricas y otras
características físicas relacionadas con el sistema de control de
corrosión.
El único método para determinar si se alcanza la protección catódica
adecuada es la medición de los potenciales estructura-electrolito. Sin
embargo, una vez realizado el relevamiento de potencial, se pueden usar
otros elementos indirectos para monitorear un sistema antes del siguiente
relevamiento de potencial. Por ejemplo, medir la salida de corriente del
rectificador no suministra ninguna información acerca del nivel de
protección de un sistema. Si un relevamiento de corrosión anual indicó que
una estructura bien revestida estaba protegida adecuadamente con 10 amps
y luego del relevamiento la estructura entró en corto con alguna estructura
grande al desnudo, ¿medir 10 amps en el rectificador seguiría representando
la protección adecuada de la estructura a proteger? Probablemente, no. La
única forma en que puede usarse el drenaje de corriente como medida de la
protección catódica, es si el sistema ha permanecido inalterado desde que se
realizó el relevamiento de potencial. Por consiguiente, todas las mediciones
y ensayos que se llevan a cabo entre los relevamientos de potencial, se
basan en la suposición de que todo está igual que durante el tiempo en que
se realizó el relevamiento de potencial.
Otros procedimientos para monitorear la efectividad de la protección
catódica, que pueden realizarse a intervalos específicos o según
corresponda, son:
• Estaciones de medición con cupones
• Estaciones de medición con probetas de resistencia eléctrica
• Inspección de la estructura mediante excavación ó buceo
• Relevamientos de potencial paso a paso (CIS)
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Monitoreo de la Efectividad de la Protección Catódica y Almacenamiento de
Registros
Almacenamiento de Registros
Importancia de Llevar Buenos Registros
La única forma de seguir el historial de un sistema es mediante la
documentación. Los datos que usted entrega pasan a formar parte de los
registros de protección catódica de la compañía. Por lo tanto, usted
constituye una parte importante del mantenimiento de datos.
Técnica
La precisión de los datos es fundamental para detectar un mal
funcionamiento en sistemas PC. Pueden analizarse tendencias a lo largo de
extensos períodos de tiempo y planificar el mantenimiento y reparaciones
pertinentes.
Legal
En caso de accidente o proceso judicial, un buen registro es esencial para la
defensa legal.
Planillas de Datos
Las planillas de datos son extremadamente importantes. Los datos deben
ingresarse en forma precisa y prolija. Obviamente, no siempre es posible
tener planillas prolijas, en especial cuando se trabaja en climas inclementes
o en condiciones adversas ó de suciedad. Tal vez sea necesario pasar los
datos a planillas limpias una vez terminado el trabajo de campo.
Las planillas deben permitir que alguien más pueda retomar el trabajo,
repetir las mediciones que usted realizó y obtener datos en las mismas
locaciones que usted. Recuerde que a usted mismo pueden asignarle
realizar una inspección anual de una estructura que no le resulte familiar,
usando solamente las planillas de datos de la persona que lo precedió en el
trabajo.
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Monitoreo de la Efectividad de la Protección Catódica y Almacenamiento de
Registros
Fecha, Hora y Clima
En las planillas siempre debe indicarse fecha, hora y condiciones
climáticas.
Esquemas o Croquis
• Deben mostrar la disposición de la(s) estructura(s).
• Deben mostrar el lugar donde fueron obtenidas las mediciones junto con
su polaridad.
• Deben registrar el nombre y número de serie de todos los instrumentos
utilizados.
Condiciones del Sitio
Siempre indique las condiciones inusuales del sitio.
Legibilidad
Los datos deben ser legibles, de lo contrario son inservibles.
Registros Electrónicos y Planillas de Cálculo
Casi todos los registros de corrosión se almacenan en planillas de cálculo o
bases de datos computarizadas. Por lo general estos registros muestran los
puntos de medición, fecha de la última medición, la medición propiamente
dicha, si los datos cumplen o no con el criterio especificado, y cuándo debe
realizarse el próximo ensayo. Luego se imprimen estos datos en el
momento oportuno, para que los técnicos se los lleven con ellos al campo
en los siguientes ensayos. Luego se ingresan los nuevos datos en la base de
datos. También pueden imprimirse planillas que muestren los puntos de
medición que no cumplieron con los criterios elegidos. Estas planillas
pueden llevarse al campo para resolver problemas (troubleshooting).
Los datos recogidos en un data logger pueden ingresarse directamente en la
computadora. Pueden generarse gráficos y planillas, o bajarse los datos al
sistema informático de la compañía.
Las compañías grandes, especialmente las que tienen instalaciones en
grandes superficies, actualmente usan Internet para acceder a los datos de
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Monitoreo de la Efectividad de la Protección Catódica y Almacenamiento de
Registros
control de corrosión. Esto hace posible que un técnico en una zona
determinada tenga todos los datos disponibles, sin necesidad de tener
grandes redes de computación en las oficinas locales.
Planos de Instalación y Documentos de
Operación de los Sistemas de Control de la
Corrosión
Las compañías que operan instalaciones enterradas, como tuberías o cables,
tienen planos que muestran la ubicación de las estructuras, puntos de
medición, instalaciones de protección catódica, y muchos otros datos. Lo
mismo se acostumbra en grandes plantas industriales, refinerías, campus
universitarios, estaciones de servicio e instalaciones similares. Usted deberá
familiarizarse con estos planos para poder trabajar con ellos en campo.
Es fundamental que usted documente su trabajo. Los responsables de
actualizar los planos dependerán de la información que usted les suministre
para mantenerlos actualizados o confeccionar nuevos planos. Por lo tanto,
los esquemas de las instalaciones de control de corrosión deben ser
precisos. De la misma manera, si usted debe realizar reparaciones en
estructuras o en componentes para el control de corrosión, deberá entregar
información precisa. La precisión en la documentación de su trabajo es tan
importante como la precisión en sus planillas de datos, como se describió
en “Planillas de Datos”.
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CAPÍTULO 8
Instalación de los Componentes de Sistemas de
Protección Catódica
Estaciones de Medición
General
El objetivo de las estaciones de medición es suministrar un acceso para
poder medir la efectividad de un sistema de protección catódica. Las
estaciones de medición incluyen aquellas instaladas en sitios asociadas a la
presencia de:
•
•
•
•
•
•
•
cruces de rutas con encamisado
ánodos
electrodos de referencia permanentes
cupones
aislación dieléctrica
cruces con estructuras ajenas
medición del flujo de corriente en una tubería
Ubicación
El ingeniero proyectista es quien debe elegir las ubicaciones de las
estaciones de medición. Es preferible colocar estaciones de medición de
más que de menos. Por lo tanto, ante la duda, instale una estación de
medición.
Los principales accesorios aislantes enterrados deben contar con estaciones
de medición que permitan medir la efectividad de la aislación y la
instalación de resistencias de control.
Por lo general, los principales cruces entre estructuras enterradas tendrán
una estación de medición.
En los puntos en que haya unión eléctrica de juntas de hierro dúctil o
uniones mecánicas de juntas de acero, las estaciones de medición a lo largo
de la estructura, permiten medir la unión y/o detectar uniones que no
funcionen.
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8:2
Factores Ambientales
Hay muchas situaciones en las que no es físicamente posible realizar
mediciones a menos que se haya instalado una estación de medición al
momento de la construcción (por ejemplo, sistemas de tuberías instalados
bajo pisos de hormigón). A menos que se las coloque al momento de la
construcción, en estos casos lo más probable es que sea poco económico
instalarlas después, si fuera necesario.
Otras condiciones, como áreas restringidas o locaciones que impliquen
algún grado de riesgo, pueden tener requerimientos inusuales para las
estaciones de medición.
Recomendaciones para la Instalación
La estructura y los cables deben estar limpios, secos y libres de materiales
extraños en los puntos de conexión, al momento de hacer la conexión. Las
conexiones de los cables a la estructura deben instalarse de manera tal que
se mantenga la conducción eléctrica y la seguridad mecánica.
Todas las conexiones y cables deben revestirse con material aislante. Si la
estructura es revestida, el material aislante debe ser compatible con el
revestimiento.
Los cables deben tener un código de colores u otra forma de identificación
permanente. Los cables deben instalarse siempre con un grado de
flexibilidad. Debe evitarse que se dañe la aislación; si esto ocurre, hay que
repararla. Los cables no deben exponerse a excesivo calor o luz solar. Son
preferibles las estaciones de medición sobre nivel. Si las estaciones de
medición están a nivel del suelo, debe colocarse un sobrante adecuado
dentro de la estación de medición para facilitar las conexiones.
Las conexiones de los conductores en uniones a otras estructuras o en
juntas aislantes deben ser seguras mecánicamente, conductoras
eléctricamente y bien revestidas. Las conexiones entre tramos deben ser
fácilmente accesibles para realizar mediciones.
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Tipos de Estaciones de Medición
Medición de Potencial
Las estaciones de medición de potencial se usan para monitorear la
efectividad de la protección catódica, verificar los efectos de corrientes
vagabundas y, en tuberías sin protección o parcialmente protegidas, para
localizar áreas de corrosión activa.
Estas estaciones de medición constan generalmente de dos cables aislados
No. 12 AWG, vinculadas con soldadura exotérmica al tubo. La estación de
medición debe montarse en un poste como se muestra en la Figura 8.1 o
puede ser montada a nivel como se muestra en la Figura 8.2.
Caja Medición
Cables Ensayo
Cañería
Figura 8.1 Estación de Medición de Potencial Montada sobre Poste o
Mojón
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CP
8:4
st
Te
Figura 8.2 Típica Estación de Medición de Potencial Montada a Nivel
Las estaciones de medición montadas sobre poste o mojón son preferibles a
las montadas a nivel, porque hay menos posibilidades de que las primeras
se pierdan. Sin embargo, en muchos sistemas de distribución es difícil usar
estaciones de medición montadas sobre poste o mojón debido a las
restricciones físicas y la falta de espacios disponibles para colocar los
postes. Cuando se usan estaciones de medición montadas a nivel, es
recomendable colocar un dado de hormigón alrededor de la parte superior
de la estación para minimizar la pérdida de la estación de medición.
Caída IR (Medición de Corriente en un Tramo de Tubería)
Estas estaciones de medición se usan para medir la magnitud y el sentido
del flujo de corriente en una tubería. Esta información resulta útil para
monitorear la distribución o alcance de la protección catódica, localizar
zonas de mal revestimiento en una tubería y encontrar áreas en las que
pueda haber cortocircuitos.
En este tipo de estaciones de medición, la tubería actúa como un shunt; la
magnitud de la corriente se determina midiendo la caída de voltaje (IR) en
el tramo que delimitan los cables conductores. El sentido de la corriente se
determina por la polaridad del potencial.
En la Figura 8.3 se muestra una estación de medición de caída IR.
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2
z
1
z
8:5
Caja Medicion
3
5 z
z 4
z
Bornes en
Plaqueta
Cable 1
Cable 2
Cable 3
Cable 4
Figura 8.3 Estación de Medición de Caída IR
Al instalar este tipo de estaciones de medición, es importante colocar los
cables de diferente color exactamente como se muestra en los planos de
construcción. Esto se debe a que los cables se usan para calibrar la estación
y también para medir el flujo de corriente. Si los cables no se instalan según
el diseño, se obtendrá una lectura equivocada. Si se instalan erróneamente
dos o más cables, asegúrese de que la ubicación de los cables sea la que se
muestra en los planos finales conforme a obra.
Encamisado (Casing)
Originariamente, los tubos camisa se diseñaron para soportar cargas
dinámicas provocadas por el tráfico o por trenes, para evitar que se dañara
el tubo principal. Sin embargo, cuando el casing y el tubo se ponen en
contacto, el casing se convierte en un escudo eléctrico para la corriente de
protección catódica. Debe realizarse una inspección periódica para
determinar que no existan o puedan desarrollarse contactos metálicos entre
el casing y el tubo.
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Caja de Medición
Caño
8:6
Venteo
Camisa
Figura 8.4 Estación de Medición en Encamisado
Note que se usan cables de diferentes colores para el tubo y para el casing.
Una vez más, es fundamental que el código de colores sea exactamente el
que se muestra en los planos de proyecto.
Sobre el casing se pueden usar dos cables, o bien el tubo de venteo puede
servir como una de las conexiones al casing. Es necesario hacer dos
conexiones al casing y al tubo para poder realizar mediciones de resistencia
camisa-tubo.
Cruce con Otras Líneas
Las estructuras enterradas, como tubos o cables, frecuentemente se cruzan o
se acercan a otras instalaciones. Cuando una o las dos estructuras tienen
protección catódica, puede darse una interacción entre ambas. Esto se llama
interferencia catódica. Para determinar sus efectos y mitigarlos, se instala
una estación de medición. Vea la Figura 8.5.
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8:7
Caja de Medición
2
3
5
1
4
1
Plaqueta
de
Terminales
4
2
5
3
4
Figura 8.5 Estación de Medición en una Línea Ajena
El término línea ajena se refiere a cualquier otra línea, distinta de la que
nos interesa. Puede ser otra línea de su propia compañía o pertenecer a otra
compañía. En este último caso, los cables que se conecten a la línea ajena
deben ser instalados por representantes de la otra compañía.
Junta Aislante
Al instalar aislantes eléctricos deben respetarse todas las reglamentaciones y
códigos locales y nacionales. Bajo ninguna circunstancia debe instalarse un
aislante en presencia de un ambiente con riesgo de explosión o combustión.
Elija ubicaciones en las que una chispa eléctrica o una descarga en los
materiales dieléctricos del aislante no puedan provocar una ignición.
Si, a pesar de todo, debe instalarse una junta aislante en una zona en la que la
atmósfera o la pérdida de producto podrían provocar una ignición con una
chispa, debe instalarse una celda descargadora o protector de descargas en la
junta.
Es importante ubicar los aislantes de manera tal que no entren en corto con
otras conexiones o tuberías por medio de cualquier elemento en bypass.
Siempre que sea posible, coloque los aislantes en un lugar accesible, para
poder efectuar reparaciones.
Los aislantes eléctricos para sistemas de tuberías son de varios tipos,
incluyendo bridas, cuplas y uniones. Las bridas pueden tener aislación doble o
simple. Las Figuras 8.6 a 8.8 muestran la construcción de varios tipos de
juntas aislantes.
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UNION AISLANTE
ARANDELA REFORZADA
ARANDELA AISLANTE
SEPARADOR DEL EXTREMO DEL CAÑO
Figura 8.6 Cupla Aislante
A R A N D E L A A I SL A N TE
S E P A R AD O R D I E L ÉC T R I C O
Figure
U N I Ó11.7
N A I SIsol
LA N T E
Figura 8.7 Unión Aislante
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REMACHE DE ACERO
8:9
MANGUITO AISLANTE
TUERCA
ARANDELA AISLANTE
ARANDELAS AISLANTES
Figure
JUNTA AISLANTE
8.8 Isolating Fl
BRIDA AISLANTE
Figura 8.8. Brida Aislante
Otros tipos de aislantes incluyen materiales dieléctricos para mantener la
separación entre tuberías y casings. En algunos casos, los elementos
estructurales están aislados de los soportes utilizando aislantes en planchas y
manguitos y arandelas aislantes. En la Figura 8.9 se muestra un casing
correctamente aislado.
Carga
Dinámica
Extremo de Cañeria
Sellado al Caño Camisa
Caño de Venteo
Casing
Separadcres Aislantes
Figura 8.9 Encamisado Correctamente Aislado
Las condiciones de funcionamiento pueden variar mucho en diferentes
sistemas. Al elegir un aislante eléctrico, asegúrese de que los materiales de
construcción cumplan con todos los requerimientos, desde el punto de vista
de la temperatura y las propiedades mecánicas.
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Siempre que sea posible, las juntas aislantes deberán instalarse a nivel. Si
hay que enterrarlas, debe instalarse una estación de medición con cables a
cada lado de la junta. El objetivo de la estación de medición consiste en
poder determinar la efectividad de la junta.
En la Figura 8.10 se muestra una típica estación de medición en una junta
aislante. Note que a cada lado de la junta se usan cables de diferentes
colores. Esto es importante, ya que así usted podrá saber qué lado de la
junta está midiendo. Al igual que otras estaciones de medición que usan
cables de distintos colores, es importante que los cables se coloquen como
se indica en los planos de proyecto.
Caja de Medición
Cables calibre AWG
12 para medición y
8 AWG si fuera
necesario unirlos
Junta Aislante
Cañería
Figura 8.10 Estación de Medición en Junta Aislante
Puente para Mitigar Interferencia
Cupones
Las estaciones de medición de cupones pueden contener uno o los dos tipos
de cupones: cupones de polarización y probetas para variación de la
resistencia eléctrica. Los cupones y probetas están hechos del mismo
material que la estructura. Se colocan cerca de la misma y se conectan a la
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8:11
estructura en la estación de medición. Uno de los motivos de esto es poder
efectuar mediciones de potencial “instant off” sin tener que apagar el
rectificador de protección catódica. Otro es medir la densidad de la
corriente de protección sobre un defecto en el revestimiento de tamaño
conocido.
Los cupones de resistencia eléctrica (también denominados probetas ER),
llamados “inteligentes” tienen una probeta ubicada también cerca de la
estructura y conectada a la misma y a un receptáculo para la conexión de un
instrumento de medición, ubicado en la estación de medición. Los cables de
la probeta se conectan de forma que el instrumento pueda medir la
resistencia eléctrica de la probeta. Si la probeta se corroe, aumenta su
resistencia; el instrumento mide el aumento en la resistencia como
velocidad de corrosión en mils por año (mpy) o bien en [mm/año]. Si la
estructura está adecuadamente protegida, la velocidad de corrosión será
igual a cero.
Las estaciones de medición con cupones se usan principalmente en
tuberías. Deben instalarse de manera tal que el pie de la estación de
medición (que contiene los cupones) esté dentro del relleno del tubo y a la
misma profundidad que la parte inferior del tubo. El tubo de la estación de
medición debe estar a aproximadamente 6 pulgadas (15 cm) del costado del
tubo para evitar que se forme un escudo contra la corriente de protección
catódica. Coloque cuidadosamente el relleno alrededor del tubo y
compáctelo bien.
Para suministrar un paso de baja resistencia hacia el electrodo de referencia
que puede insertarse en el tubo, dentro del mismo se usa un relleno de baja
resistividad. Generalmente, una mezcla de arena y bentonita.
La Figura 8.11 muestra una estación de medición para cupones.
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Llave Interruptora de
Corriente
Shunt
Elect.Referencia
Tubo de Referencia
Conex.Tubo
Cupón
Tubería
Probeta ER
Figura 8.11 Típica Estación de Medición para Cupones
Las probetas de resistencia eléctrica también se usan en calentadores de
petróleo y otros recipientes, tanques de almacenamiento de agua y otras
estructuras marinas. La velocidad de corrosión de mide con el mismo
instrumento que se describió antes.
Conexión de los Cables
General
La parte de la estructura a la que se conectan los cables ya sea para
medición o bien para vinculación debe estar limpia, seca y libre de
materiales extraños. Las conexiones a la estructura deben ser
mecánicamente seguras y conductoras de electricidad.
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8:13
Los cables siempre deben instalarse con un excedente del mismo. Deben
evitarse los daños a la aislación, y si ocurren, se los debe reparar. Los
cables no deben exponerse a excesivo calor o luz solar.
Soldadura Exotérmica
El método más común de conectar los cables a una estructura es la
soldadura exotérmica, conocida también como soldadura termítica. Este
proceso utiliza un molde de grafito dentro del cual se vierte una mezcla que
contiene una aleación de cobre y polvo de aluminio y un elemento iniciador
de la reacción, a veces polvo de magnesio o aluminio, como se ve en la
Figura 8.12. La reacción es iniciada por un chispero, el óxido de cobre es
reducido a cobre en forma fundida que cae, soldando el cable a la
estructura.
Manija
Molde de Grafito
Polvo Iniciador
Soldadura
Disco de Metal
Cable de Cobre
Superficie Tubo
Figura 8.12 Proceso de Soldadura Exotérmica
La información suministrada por el fabricante especifica el tamaño y carga
correcta del molde, según el tamaño del cable y la estructura. Para
estructuras de acero y hierro fundido o dúctil se utilizan distintas aleaciones
como cargas.
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8:14
Precaución: No use una carga de más de 15-gram para tubos de acero
al carbono de alta presión. Antes de soldar mediante este proceso en
cualquier grado de acero, consulte los standards de su compañía para el
tamaño adecuado de la carga. La zona afectada por el calor alrededor de la
soldadura puede endurecerse y puede dar lugar al inicio de una falla. Esto
ocurre particularmente en aceros de alta resistencia.
Una vez que la soldadura se haya enfriado parcialmente, retire el crisol y
limpie la escoria con un martillo y un cepillo de alambre. Verifique que la
soldadura esté firme golpeándola suavemente con un martillo. Si la
soldadura no es segura, o si el cable se ha quemado parcialmente, quítelo y
haga una nueva soldadura.
La soldadura exotérmica también puede usarse para hacer conexiones en
estructuras a nivel. Hay moldes para hacer conexiones a superficies
horizontales y verticales. Los cables que requieren una carga mayor pueden
dividirse en una “pata de gallo”, con cada extremo conectado al tubo con
una carga de 15-gram.
Asegúrese de que el molde y la superficie estén bien secos. La humedad
puede hacer que el metal fundido salpique, lo cual es riesgoso. Antes de
utilizar el equipo para realizar soldaduras exotérmicas, familiarícese con las
Planillas de Seguridad
del fabricante (MSDS) y siga todas las
recomendaciones acerca de la seguridad en los procedimientos.
Si bien existen otros métodos para soldar un cable a una estructura, éstos
pueden fragilizar el cable o la estructura. No debe usarse la soldadura con
bronce ya que el calor es muy concentrado y puede dañar el cable o la
estructura.
Mecánica
Las conexiones mecánicas se usan por lo general en lugares donde las
condiciones explosivas o inflamables prohíben el uso de la soldadura
exotérmica, y también cuando las conexiones se hacen a nivel.
Generalmente las conexiones mecánicas bajo nivel se hacen con una
abrazadera y epoxi conductor.
Las conexiones a nivel se pueden hacer con terminales unidos al extremo
del alambre o cable. Luego se atornillan los terminales a la estructura.
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8:15
Revestimiento
Todos los cables y conexiones deben revestirse con material aislante. Si la
estructura está revestida, el material aislante debe ser compatible con el
revestimiento. Es de extrema importancia revestir las conexiones a nivel en
las que se atornillan los terminales de cobre a una estructura de acero, para
impedir la corrosión galvánica.
Ánodos Galvánicos (de Sacrificio)
General
Los ánodos galvánicos funcionan por la reacción galvánica (de metales
distintos) entre el ánodo y la estructura. De ahí su nombre, ánodo
galvánico. Estos ánodos también se llaman de sacrificio porque puede
decirse que “se sacrifican a sí mismos” para proteger a la estructura.
Es importante instalar los ánodos galvánicos según las especificaciones de
construcción. Lo más probable es que los ánodos instalados en forma
incorrecta no funcionen adecuadamente.
Ánodos Pre-empaquetados
Los ánodos pre-empaquetados deben inspeccionarse para asegurarse de que
el material de relleno rodee al ánodo. El relleno en forma de polvo blanco
dentro del paquete tiene dos propósitos: absorber la humedad, ayudando de
esta forma a que el ánodo se mantenga en un ambiente húmedo y funcione
correctamente; y absorbiendo también los productos de corrosión que
provienen del ánodo; esto evita que estos productos se adhieran al ánodo,
aumentando su resistencia a tierra. Por lo tanto, si el ánodo no está rodeado
del relleno, puede no funcionar correctamente.
La bolsa de tela o cartón que contiene el material de relleno debe estar
intacta. Si el paquete está rasgado o roto, no debe usarse el ánodo. Los
ánodo pre-empaquetados vienen en envoltorios a prueba de agua; este
envoltorio debe quitarse antes de la instalación. Durante el almacenamiento,
los ánodos deben estar secos; tampoco hay que remojarlos antes de la
instalación.
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El cable debe estar correctamente conectado al ánodo y se lo debe
inspeccionar, para asegurarse de que no esté dañado.
El relleno de los ánodos galvánicos debe ser suelo nativo compactado, no
arena, canto rodado u otros materiales de alta resistencia. Se los debe mojar
después de colocar el relleno o dejar que absorban la humedad natural del
suelo. Hay que tener cuidado de que los cables y conexiones no se dañen
durante el rellenado. Los cables deben tener suficiente sobrante para evitar
tensiones.
Las Figuras 8.13 y 8.14 muestran instalaciones de ánodos preempaquetados.
Anode Lead Wire
Coated
Powder
Weld
Connection
Structure
Packaged Anode
with Attached
Insulated Lead
Figura 8.13 Un Único Ánodo Pre-empaquetado Vertical
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Insulated Connections
Hole
Depth
Based
on Soil
Resistivity
Header
Cable
Structure
Anode Spacing
Figura 8.14 Varios Ánodos Pre-empaquetados Verticales
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Ánodos sin Pre-empaquetado
Los ánodos sin pre-empaquetado se usan en medios líquidos y,
ocasionalmente, en suelos. La aplicación más común en suelos son los
ánodos tipo cinta. Se los analiza más adelante.
De todas maneras, los ánodos enterrados deben instalarse con el relleno
especial que viene con los ánodos pre-empaquetados. Se los debe instalar
de manera tal que el ánodo quede centrado en el relleno especial; éste debe
compactarse antes de colocar el relleno de suelo nativo.
Ánodos Tipo Cinta
Los ánodos tipo cinta pueden ser instalados, con o sin relleno especial.
Generalmente, este tipo de ánodo se coloca paralelo a la sección de tubo
que se quiere proteger. Véase la Figura 8.15.
Insulated Wire
Connection to
Structure
Protected Structure
Special Galvanic
Anode Backfill
Strip Anode
Earth Backfill
Figura 8.15 Ánodos Cinta o Tira
Ánodos en forma de Brazalete
Los ánodos brazalete se usan en tuberías offshore, cruces de ríos y otros
medios líquidos. Cuando se usa este tipo de ánodos, el revestimiento del
tubo que queda debajo del ánodo no debe tener fallas. Hay que tener
cuidado de no dañar el revestimiento cuando se colocan los ánodos.
Asegúrese de que el conductor esté conectado al tubo.
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Si se usa hormigón para cubrir el tubo, debe eliminarse todo el
revestimiento y hormigón de la superficie del ánodo. Si se utiliza hormigón
reforzado, no debe haber ningún contacto entre el ánodo y la malla de
refuerzo o entre la malla de refuerzo y el tubo.
La Figura 8.16 muestra una típica instalación de ánodos en forma de
brazalete.
Costa
Agua de Mar
Junta
Ai sl.
Junta
Ai sl.
Ánodo Brazalete
Metal Anódico
Caño
Ánodo tipo Brazalete
Figura 8.16 Instalación de Ánodos Brazalete para Tubos Sumergidos
Ánodos Offshore
Generalmente, los ánodos offshore que se usan en agua de mar están hechos
de una aleación de aluminio y pueden pesar hasta 1400 libras cada uno. Los
ánodos son fundidos sobre un alma que es una tubería de acero, que a su
vez se suelda a la plataforma o a la estructura a proteger. La Figura 8.17
muestra un ejemplo.
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Figura 8.17 Ánodos de Aleación de Aluminio para Estructuras Offshore
Los ánodos colgantes, generalmente de aleación de aluminio, pueden usarse
para proteger tubos en un muelle o una estructura similar. Cuando se usa
este tipo de ánodos, es necesario conectar un cable entre el alma en forma
de ojo cerrado y la estructura.
En agua dulce, con frecuencia se usan ánodos de zinc y magnesio. Estos
ánodos también se usan a veces en agua salada, en cascos de barcos y en
tanques de balasto y condensadores de agua, como se describe más
adelante. Estos ánodos pueden ser moldeados sobre planchuelas para el
montaje o venir con un agujero para montaje con espárragos roscados.
Dispersores de Corriente Impresa
General
Los sistemas de protección catódica por corriente impresa protegen en
forma similar a los ánodos galvánicos. La diferencia es que en un sistema
de corriente impresa, la corriente la suministra una fuente externa y no la
reacción galvánica entre el ánodo y la estructura.
El dispersor y rectificador deben instalarse según las especificaciones de
construcción. Esto es fundamental, ya que si no se siguen los
procedimientos y precauciones de instalación, puede haber una falla
prematura.
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Los ánodos de corriente impresa pueden instalarse en dispersores
superficiales o profundos. Más adelante se analizan las técnicas de
instalación.
Manipuleo e Inspección de Ánodos y Cables
Los ánodos de corriente impresa deben inspeccionarse para asegurarse de
que cumplan con las especificaciones acerca de tamaño y material, largo
del cable y encapsulado en el extremo, si éste último es usado. Hay que
tener cuidado de que los ánodos se fracturen o dañen durante su
instalación.
El cable debe ser inspeccionado cuidadosamente para detectar posibles
defectos en la aislación. Hay que tener cuidado de no dañarla. Cualquier
defecto en el cable debe repararse; si no, directamente hay que descartar el
ánodo.
El material de relleno del ánodo debe seguir las especificaciones. El relleno
que se usa alrededor de los ánodos de corriente impresa es un material
carbonoso llamado coque. Tiene dos objetivos: primero, aumentar el
tamaño del ánodo, reduciendo su resistencia a tierra; segundo, suministrar
un medio uniforme alrededor del ánodo; esto aumenta la vida útil del
ánodo, ya que la mayor parte de la corriente circula electrónicamente desde
el ánodo hacia el relleno, reduciendo así la acción electrolítica sobre el
ánodo. El flujo electrolítico que ocurra causará una corrosión relativamente
uniforme del ánodo, en lugar de la acción localizada que tendría lugar si el
ánodo se rellenara directamente con el suelo.
El relleno de coque puede ser compactado alrededor de ánodos desnudos, o
pueden comprarse los ánodos directamente pre-empaquetados como se
muestra en la Figura 8.18.
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8:22
CA B L E E NS AY O
T AP Ó N
CO NT E NE DO R
M ET ÁL ICO
Á NO DO
RE L L E NO DE
CO Q UE
T AP Ó N
Figura 8.18 Ánodo de Corriente Impresa Pre-empaquetado
El conductor (cable negativo) debe conectarse correctamente a la
estructura. Las conexiones del conductor al rectificador deben ser
mecánicamente seguras y eléctricamente conductoras. Antes de encender la
fuente, hay que verificar que el conductor negativo esté conectado a la
estructura a proteger y el conductor positivo, conectado a los ánodos.
Luego de encender la fuente, deben tomarse las medidas necesarias para
poder verificar que las conexiones sean correctas.
Los empalmes enterrados en el cable colector (positivo) al dispersor deben
mantenerse al mínimo. Las conexiones entre el cable colector y los
conductores de los ánodos deben ser mecánicamente seguras y
eléctricamente conductoras. Si están sumergidas o enterradas, estas
conexiones deben sellarse para evitar la penetración de humedad, de
manera de garantizar la aislación eléctrica del medio.
Hay que tener cuidado cuando se entierran los cables a los ánodos
(positivos) para evitar daños a la aislación. Debe dejarse suficiente
excedente de cable para evitar tensiones en todos los cables. El material de
relleno alrededor del cable debe estar libre de rocas y cualquier otro
material extraño que pueda dañar la aislación cuando se instalan cables en
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8:23
la zanja. También se pueden instalar los cables mediante zanjeo directo si
se toman las precauciones necesarias.
Si no se mantiene la aislación en el cable colector, incluyendo empalmes de
conexión, el cable fallará debido a la corrosión electrolítica.
Dispersores Superficiales
General
En los dispersores superficiales los ánodos se instalan vertical u
horizontalmente a una profundidad de generalmente cinco a quince pies
(1.5 a 5 metros) por debajo de la superficie. Por lo general, los ánodos se
conectan a un cable colector, que a su vez se conecta al terminal positivo
del rectificador.
Los dispersores superficiales son puntuales o distribuidos. En cada una de
estas configuraciones pueden usarse tanto ánodos verticales como
horizontales. Más abajo se describe cada una de estas configuraciones.
Instalación de Ánodos Verticales
Perforar hasta la profundidad indicada en los planos. Esto es importante ya
que el diseño se basa en la resistividad del suelo y la profundidad de la napa
de agua.
Si usted está instalando ánodos al desnudo, coloque y compacte la cantidad
prevista de coque al fondo del pozo. Haga descender los ánodos utilizando
sogas de soporte –no baje los ánodos colgando del cable. Centre el ánodo
en el pozo y compacte cuidadosamente capas de coque hasta el nivel
especificado sobre la parte superior del ánodo. Compacte el suelo por
encima del coque hasta el nivel de la parte inferior de la zanja del cable
colector. Tenga cuidado de no dañar la aislación del cable anódico.
Para los ánodos pre-empaquetados se usa un procedimiento similar. Si bien
hay coque dentro de la cápsula, generalmente los diseños exigen la
instalación de más coque debajo, alrededor y sobre la cápsula.
La Figura 8.19 muestra una típica instalación de ánodos verticales.
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Relleno de
Tierra
2’
1’
Conexión
del Cable
Aislada
5’
Relleno
Anódico
Ánodo
10’
1’
8:24
Cable Colector
a Otros Ánodos
y a la Fuente
Perforación
Figura 8.19 Ánodo de Corriente Impresa Vertical (Dimensiones Típicas)
Instalación de Ánodos Horizontales
El primer paso en una instalación horizontal es la colocación de los ánodos.
Esto se hace de manera similar a la instalación de ánodos verticales. La
instalación de los ánodos depende de la separación entre ellos. Si la
separación es de más de 10 pies, generalmente es mejor excavar un pozo
para cada ánodo. Si la separación es menor, generalmente resulta más
económico cavar una única zanja para el cable colector y los ánodos.
Se pueden usar ánodos desnudos o pre-empaquetados. Se instalan con
coque, en forma similar a la que se explicó antes para los ánodos verticales.
Una vez más, asegúrese de seguir los planos de proyecto y las
especificaciones durante la instalación.
La Figura 8.20 muestra una típica instalación horizontal.
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Cable Colector a otros Ánodos
o bien hacia el Rectificador
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Conexión Aislada
Relleno
de Terreno
Apéndice de Cable
provisto con el
Ánodo
Relleno del Ánodo
Ánodo
Figura 8.20 Ánodo de Corriente Impresa Horizontal
Instalación del Cable Colector
La zanja del cable colector generalmente se excava con una
retroexcavadora o zanjadora hasta la profundidad especificada por el código
local. Deposite el cable colector en la zanja, una vez más, tenga mucho
cuidado de no dañar la aislación. Deje suficiente excedente en todo el
cableado. Cuando se requieren grandes longitudes de cable colector como,
por ejemplo, en una instalación superficial de ánodos distribuidos, puede
colocarse el cable en forma directa. Al hacer esto, tenga cuidado de no
dañar la aislación.
Empalme cada cable anódico al cable colector y aísle cuidadosamente este
empalme, ya que es la parte más crítica de la instalación y debe hacerse
correctamente. Complete la instalación rellenando la zanja.
El cable debe apoyarse sobre unas tres pulgadas de arena o relleno, y luego
de realizar todo el empalme, debe cubrirse con aproximadamente la misma
altura. Evite que en el relleno queden piedras, basura o cualquier otro
material que pueda dañar el cable. Generalmente se usa suelo nativo para
terminar de rellenar la zanja.
Si existe cualquier posibilidad de que el cable se dañe en futuras
excavaciones, coloque una cinta para advertirlo y, tal vez, una plancha de
madera a aproximadamente un pie por encima del cable. Esta precaución es
especialmente importante en sistemas superficiales de ánodos distribuidos,
en los que puede haber gran cantidad de cable enterrado.
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8:26
Dispersor Remoto Superficial
En un dispersor remoto, los ánodos se colocan en un punto y la corriente
circula desde ellos hacia la estructura a proteger. Esta configuración se usa
por lo general en tuberías de transporte o en otros lugares en los que haya
pocas estructuras ajenas que puedan verse afectadas por la corriente.
La Figura 8.21 muestra una típica instalación superficial de este tipo.
Tubería
Cable
Colector
Negativo
Fuente
_
La distancia entre la estructura
y los ánodos es una
distancia remota.
Ánodos de
Corriente
Impresa
+
Cable Colector Positivo
Figura 8.21 Configuración de un Dispersor Remoto Superficial
Ánodos Distribuidos
Esta configuración se usa por lo general en áreas complejas, para
suministrar una buena distribución de la corriente y minimizar los efectos
sobre otras estructuras. La Figura 8.22 muestra un dispersor superficial de
ánodos distribuidos. La Figura 8.23 muestra un dispersor de corriente
impresa de ánodos distribuidos que protege los pilotes debajo de un muelle.
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Fuente
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Tubería
_ +
Ánodo
Tanque de
Almacenamiento
A Nivel
Figura 8.22 Configuración de un Dispersor Superficial de Ánodos Distribuidos
Muelle
{ { { { { { { { { { { { { { { { {





















{ { { { { { { { { { { { { { { { {







{

Pilotes
Anodos
Rectificador
Rampa
{ { { { { { { { { { { { { { { { {
Costa
Figura 8.23 Dispersor de Ánodos Distribuidos Protegiendo los Pilotes de un
Muelle
Ánodo Profundo
Las instalaciones de ánodo profundo son aquéllas en las cuales los ánodos
se instalan al fondo de un pozo. La Figura 8.24 muestra la disposición
general.
La instalación comienza excavando un pozo de la profundidad y el
diámetro especificados. Suele hacerse un perfilaje eléctrico del pozo para
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8:28
determinar las zonas de menor resistividad. Esto se realiza midiendo la
resistencia entre una barra metálica o un ánodo que se hace descender al
pozo y una puesta a tierra de baja resistencia. El perfil ayuda a determinar
las ubicaciones deseadas para los ánodos.
Los ánodos pueden colocarse sobre un tubo de soporte o, en el caso de
materiales livianos (por ejemplo MMO –mixed metal oxides-), pueden
colgarse directamente de los cables. Generalmente los ánodos tienen un
sistema de centrado incluido para mantenerlos centrados en el pozo. Estos
no deben estar hechos de material no-metálico.
Se instala un tubo de venteo de PVC ranurado hasta el fondo del pozo para
ventear los gases que se puedan generar por la acción electrolítica de los
ánodos. Esto es importante, ya que la acumulación de gas puede aumentar
la resistencia de los ánodos a tierra.
Luego se rellena la sección del pozo que contiene los ánodos con un relleno
de carbón de granulometría adecuada. El relleno y los ánodos constituyen
lo que se conoce como columna activa o área anódica. Por encima del
coque, el pozo se puede completar con suelo nativo, canto rodado, o
simplemente dejarlo abierto.
La instalación se completa con un tramo de casing superficial (que se puede
haber instalado al principio de la excavación) con un capuchón. El tubo de
venteo termina en un capuchón con una malla protectora.
Los cables anódicos se llevan hasta una caja de conexiones y cada uno se
asegura a un terminal separado. Se conecta cada terminal al colector
positivo mediante un shunt, de manera tal de poder leer el drenaje de cada
ánodo en forma individual. Asegúrese de marcar cada cable anódico en
toda su longitud, para poder identificarlos en la caja de conexiones. Luego
se lleva un cable desde el colector positivo hasta el terminal positivo del
rectificador.
Todos los dispersores profundos deben ser instalados y completados según
los códigos locales y estatales.
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Tapa
Shunt
Venteo
Camisa
Al Rectificador
Piedra
Anodo
Columna Activa
Coke
Figura 8.24 Instalación de un Ánodo Profundo
Circuito Negativo
El circuito negativo o de retorno es el cableado desde la estructura al
rectificador. Asegúrese de seguir las especificaciones y planos del diseño
durante la instalación.
Algunos diseños de protección catódica tienen más de un circuito negativo.
Generalmente esto sucede cuando se protegen dos o más instalaciones con
un único rectificador. A fin de controlar la corriente que circula hacia cada
estructura, los cables negativos pueden llevarse a una caja colectora de
interconexión en la que se colocan resistencias. Siga los diagramas de
cableado cuidadosamente para garantizar que los circuitos negativos estén
conectados a los terminales correctos en la caja de conexiones.
Tenga cuidado de no dañar la aislación del cable negativo. Que se dañe esta
aislación no resulta tan crítico como en el cable positivo, ya que el cable
negativo está en la parte catódica del circuito. De todas formas, deben
tomarse precauciones en el manipuleo del cable negativo.
La conexión entre el cable negativo y la estructura puede hacerse con
soldadura exotérmica o mediante una conexión mecánica. Consulte la
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Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica
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sección “Conexiones de Cables” para ver los procedimientos y
precauciones.
Los cables negativos pueden ser de sección considerable, generalmente van
desde el No. 6 AWG al No. 2/0 AWG o más. Este tamaño es demasiado
grande para conectarlo a una tubería mediante una única soldadura
exotérmica. (Recuerde que en una tubería de acero bajo presión, una carga
de 15 gramos es la mayor que puede usarse). Los alambres del cable
pueden abrirse y disponerse en forma de pata de gallo para luego utilizar
varias soldaduras. En algunos casos, se puede soldar un terminal al tubo o a
otra estructura y el cable se puede conectar al terminal mediante una
soldadura exotérmica o un conector mecánico.
Asegúrese de revestir la conexión negativa de la misma forma que los otros
cables y conexiones.
Instalación
Fuentes
de
Rectificadores
u
Otras
General
El rectificador o cualquier otra fuente debe inspeccionarse para asegurarse
de que las conexiones internas sean mecánicamente seguras y que no haya
daños aparentes. El tamaño de la fuente de corriente continua debe seguir
las especificaciones de la construcción. Hay que tener cuidado al
manipularla e instalarla.
Los rectificadores u otras fuentes deben instalarse de manera tal de
minimizar la posibilidad de daños o vandalismos. El cableado a los
rectificadores debe cumplir con los códigos eléctricos locales y nacionales
y con los requerimientos del proveedor de energía. En el cableado de
corriente alterna debe colocarse un interruptor externo. El gabinete del
rectificador debe ser conectado a tierra.
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En los generadores termoeléctricos, debe instalarse un mecanismo que
permita revertir la corriente, para evitar la interacción galvánica entre el
dispersor y la estructura si se extingue la llama.
Rectificadores
General
Lo que comúnmente se llama rectificador es en realidad una unidad
transformadora/rectificadora. El transformador reduce el voltaje AC
entrante al voltaje de funcionamiento del sistema de protección catódica. El
rectificador cambia la corriente alterna entrante en corriente continua para
la protección catódica.
Algunos rectificadores no poseen transformador, pero utilizan circuitos de
estado sólido para reducir la energía entrante. Se los llama rectificadores
switching.
Corriente Alterna y Cableado
El cableado de alimentación de corriente alterna lo debe hacer un
electricista matriculado. Debe instalarse una caja de fusibles antes del
rectificador para que pueda detenerse el ingreso de energía a toda la unidad
cuando se debe trabajar en el rectificador.
El voltaje de entrada puede variar de 480 voltios a 115 voltios. Se usa
energía tanto monofásica como trifásica, dependiendo de los requerimientos
del rectificador y la energía disponible. Una vez más, el cableado de
corriente alterna debe estar en manos de un electricista calificado. Sin
embargo, usted, como inspector, debe asegurarse de que la unidad esté
conectada al voltaje de entrada especificado.
Salida de Corriente Continua
Circuito Anódico
En las secciones correspondientes a los distintos tipos de dispersores se
analizó en detalle la porción de este circuito que está dentro del electrolito.
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Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica
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En el rectificador, el cable positivo se conecta al terminal positivo.
Asegúrese de que esta conexión se haga al terminal correcto. ¡Conectar el
rectificador al revés, con el cable anódico conectado a su terminal
negativo, puede llevar a que la estructura se corroa rápidamente!
El cableado a nivel debe instalarse bajo tubería preferentemente. Cuando
se requiere una instalación a prueba de explosiones, es fundamental que
todos los sellados y los demás equipos de seguridad sean instalados en la
forma apropiada. En estos casos, es recomendable que un electricista instale
el cableado DC a nivel.
Circuito Negativo
El circuito negativo o retorno es el cableado que va de la estructura al
rectificador.
La porción enterrada o sumergida de este cableado se ha analizado en la
sección “Dispersores de Corriente Impresa, Circuito Negativo”. La parte a
nivel se lleva, generalmente alojada en conductos, al terminal negativo del
rectificador. Siga todas las precauciones mencionadas antes en la sección
“Circuito Anódico” que se refieren a la correcta conexión e instalación.
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CAPÍTULO 9
Resolución de Problemas
Introducción
En este curso le hemos presentado varias técnicas para monitorear la
protección catódica. Como ya dijimos, el monitoreo es fundamental para
asegurar un funcionamiento adecuado y continuado de la protección
catódica.
De tanto en tanto, usted se encontrará con problemas con la protección
catódica que esté monitoreando. Muchos de ellos pueden resolverse con
técnicas básicas, cuando las mediciones de potencial estructura-electrolito
indican una protección inadecuada o cuando hay algún otro tipo de
disfunción.
Aislación Eléctrica
General
Un solo contacto metálico (llamado “cortocircuito” o, directamente,
“corto”) puede destruir la efectividad de todo un sistema de protección
catódica. Toda la estructura accidentalmente en corto con la estructura o
instalación protegida, pasa a ser parte del sistema a proteger. La gravedad
del problema está determinada por los potenciales estructura-electrolito
relativos y por la superficie de la estructura en corto, especialmente si es un
potencial menos electronegativo. Si la estructura en corto es una estructura
grande y desnuda sin protección, entonces los potenciales de la estructura
protegida pueden no alcanzar el criterio. Si ambas estructuras estás
protegidas, se vuelven dependientes una de otra para el mantenimiento de
sus respectivos sistemas de protección catódica.
Cortos en las Juntas Aislantes
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Resolución de Problemas
La estructura o instalación que se desea aislar puede entrar en corto por una
falla en el material aislante de la junta de aislación, o por un contacto
metálico a través de la junta. La verificación de las juntas es similar a los
ensayos de verificación de aislación de encamisados (casings).
Cuando no haya accesorios de la tubería a cada lado de una junta aislante
enterrada, deben conectarse al menos dos (2) cables de ensayo a cada lado
de la aislación enterrada, para permitir las posteriores mediciones y, de ser
necesario, mitigar de corrientes vagabundas. Si sólo se cuenta con el
contacto a un solo lado de la aislación, podrán llevarse a cabo algunos
ensayos, pero sería imposible controlar las corrientes vagabundas mediante
un puente de mitigación, si fuera necesario.
Los ensayos que pueden llevarse a cabo incluyen una “verificación de
aislación”, potenciales estructura-electrolito, potenciales estructuraelectrolito interrumpidos y el seguimiento de una señal o ruido.
Medición de Uniones/Bridas Aislantes A Nivel
Un “verificador de aislaciones” está específicamente construido para medir
dispositivos aislantes bajo o a nivel, según el instrumento (véase Figura 9.1). Para
los dispositivos aislantes a nivel, las sondas del verificador de aislaciones se
colocan en contacto con cada lado de la brida o junta. Si dispositivo de aislación
eléctrica funciona correctamente, el instrumento mostrará una deflexión completa,
mientras que si el dispositivo está en corto, la aguja del instrumento tenderá al
cero. Cuando se enciende se oye un “beep” que aumentará cuando se detecte un
corto. Este instrumento también puede usarse para verificar si un perno o remache
aislante están en corto, siempre que tengan doble aislación.
Figura 9.1 Verificador de Aislaciones
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Resolución de Problemas
Si el dispositivo de aislación eléctrica está enterrado y hay cables de
conexión a ambos lados del mismo, puede usarse un “verificador de
aislaciones” subterráneo. Este instrumento es similar al anterior, pero está
diseñado para usarse sólo con dispositivos de aislación subterráneos.
Nótese que estos instrumentos sólo verifican la efectividad de la junta que
se está midiendo, y son especialmente útiles para individuar qué junta
aislante está en corto en un cable colector, o en cualquier lugar donde haya
varias aislaciones protegiendo la estructura. Las sondas deben colocarse a
cada lado de la aislación, pero lo más cercanas posibles entre sí.
Potencial
Aislación
Estructura-Suelo
para
la
Medición
de
la
Se puede medir la efectividad de un accesorio aislante utilizando los
potenciales estructura-electrolito. Colocando un electrodo de referencia en
una ubicación y sin moverlo, se puede medir el potencial de la estructura a
cada lado de la aislación. Si los potenciales de la estructura son idénticos o
muy similares, aún existe la posibilidad de que la aislación esté en corto,
pero se requieren otras mediciones para confirmarlo. Si, en cambio, hay
una diferencia apreciable entre los potenciales a cada lado del accesorio
aislante, significa que ambos lados del accesorio están eléctricamente
aislados.
Ejemplo
LadoA
Side
AA
Lado de la
Brida
A
B
Aislada
–1.560 VCSE
–0.950 VCSE
LadoBB
Side
Se sospecha
corto
–0.875 VCSE
–0.874 VCSE
Potencial Estructura-Electrolito Interrumpido para Medir la
Aislación
Utilizando un interruptor de corriente en la fuente de corriente de PC más
cercana, se puede ciclar la corriente de protección “on” y “off”. Al medir el
potencial estructura-electrolito “on” y “off” a cada lado del dispositivo
aislante, se puede establecer si éste está funcionando correctamente o no.
Si el dispositivo de aislación eléctrica funciona correctamente, el lado cuya
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Resolución de Problemas
corriente se interrumpe tendrá un potencial “on” más negativo que el
potencial “off”, y estos dos valores ciclarán simultáneamente con el
interruptor de corriente. Al otro lado del dispositivo aislante, los
potenciales “on” y “off” serán prácticamente iguales, e incluso a veces, el
potencial “off” será más negativo que el potencial “on”.
Si el dispositivo aislante está en corto, los potenciales “on” y “off” serán
iguales a ambos lados del dispositivo, cambiando simultáneamente con el
interruptor de corriente.
Ejemplo
Lado de la
Brida
A
B
Aislada
ON
–1.560 Vcse
–0.950 Vcse
OFF
–0.950 Vcse
–0.948 Vcse
En corto
ON
–0.875 Vcse
–0.875 Vcse
OFF
–0.750 Vcse
–0.750 Vcse
Perfil de Corriente
En una tubería, es posible localizar un corto siguiendo el flujo de corriente.
En un sistema de distribución, en el que las derivaciones a servicios son
eléctricamente continuas con las tuberías troncales o principales, un aislante
que falla en el servicio causará un cortocircuito. La corriente de protección
catódica que se pierde a otras estructuras a través de este corto, retornará al
ramal principal utilizando el servicio. Usando un amperímetro del tipo
pinza, pueden medirse las corrientes provenientes de las derivaciones en el
área afectada. También puede usarse un equipo para medir la atenuación de
la corriente, para medir la corriente en distintos puntos. Una aislación en
corto al final de un servicio o de un tramo corto de tubo estará indicada por
una corriente inusualmente grande para este tubo (Figura 9.2).
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Resolución de Problemas
Corriente de PC
Cortocircuito
Amperímetro tipo
pinza en la línea
de servicio
Figura 9.2 Localizando un Corto a Través del Flujo de Corriente
Si hay un aumento súbito de la corriente a cualquier lado de un cruce con
otra estructura, puede deberse a un contacto subterráneo (Figura 9.3).
Figura 9.3 Corriente en la Tubería en un Contacto Subterráneo
Generadores de Audio
Los localizadores de tuberías que generan tonos audibles son muy útiles
para encontrar aislaciones en corto o contactos bajo tierra. El transmisor
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Resolución de Problemas
genera una señal de baja frecuencia que es transportada hacia el tubo a
través de los cables de medición. Esta señal crea un campo
electromagnético alrededor del tubo. El receptor recoge este campo. La
señal circulará sólo a lo largo de caminos eléctricamente continuos.
Tenga cuidado al conectar y desconectar este tipo de localizadores, ya que
pueden generarse voltajes elevados. Además, no utilice este tipo de
instrumentos en una atmósfera explosiva, ya que una chispa puede provocar
la ignición.
El transmisor se conecta entre la tubería y una conexión a tierra,
normalmente una varilla simplemente hincada en el terreno. Si hay un
servicio en corto, la señal circulará por la línea y a través del aislante. Si
existe un contacto bajo tierra, generalmente se perderá la señal en el tubo en
este punto y se la encontrará en alguna otra estructura, generalmente en
ángulo con la tubería. La Figura 9.3 muestra esta situación.
Corto
Camino de
la Señal
Generador de
Señal
Figura 9.4 Utilización de un Localizador con Señales de Audio para Localizar
Cortos
Contactos con Encamisados (Casings)
Los encamisados en los cruces con rutas o vías de ferrocarril deben estar
eléctricamente aislados de la tubería principal. Esto es necesario para
proteger la tubería y evitar que el casing recoja una excesiva cantidad de
corriente de protección catódica. Si el encamisado está en corto,
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Resolución de Problemas
interceptará la mayor parte de la corriente de protección catódica destinada
a la tubería. Desgraciadamente, el potencial del tubo que pasa por dentro
del encamisado no se refleja en una medición de potencial estructuraelectrolito que se haga sobre la superficie. Es decir, el potencial en la
superficie puede indicar que el tubo alcanza el criterio, cuando en realidad
esto no es cierto.
En un casing puede darse un corto metálico o electrolítico. Un corto
metálico es un contacto metal-metal entre el casing y la tubería principal.
Este tipo de cortos generalmente causa un desplazamiento electropositivo
del potencial tubo-electrolito a lo largo de la tubería, en la zona en que se
encuentra el casing. Esto significa que el potencial se volverá menos
electronegativo en la zona del encamisado, por ejemplo, de –950 mVCSE en
la zona alejada del encamisado a –750 mV en la zona del encamisado. El
desplazamiento electropositivo es especialmente pronunciado si el casing
no está revestido. Si usted descubre un cambio de este tipo en los
potenciales tubo-electrolito, es probable que la causa de este fenómeno sea
un corto con el encamisado. Si hay un corto metálico, los potenciales de la
estructura con respecto a un electrodo de cobre-sulfato de cobre serán
básicamente iguales en el tubo y en los cables conectados al casing, aunque
éstos podrían casualmente ser iguales aún cuando no hubiera un corto. Por
lo tanto, para confirmar que hay un corto hace falta más de un ensayo
Cuando un electrolito de baja resistencia, como agua o lodo, penetra en el
espacio anular entre el casing y la tubería, se produce un “acoplamiento
electrolítico”, el potencial tubo-electrolito del casing puede desplazarse con
la aplicación de corriente. Si el casing está aislado, el desplazamiento en su
potencial no será tan pronunciado como en la tubería, y seguirá habiendo
una diferencia de potencial entre el tubo y el casing.
Relevamiento de Potencial Estructura-Electrolito
Un modo simple de determinar un corto metálico consiste en medir el potencial
tubo-suelo sobre la tubería y sobre el encamisado, manteniendo el electrodo de
referencia en la misma ubicación. Para esto, debe haber cables de ensayo sobre
la tubería y sobre el encamisado; de no haber conexión al encamisado, puede
usarse la ventilación (Figure 9.5).
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Resolución de Problemas
Vc
Ventilación
Vent Pipe
Electrodo de
+
–
-
Referencia
Vp
+
Carrier Pipe
Tubería
Casing
Figura 9.5 Medición de los Potenciales Tubo-Electrolito y Casing-Electrolito
usando el Electrodo de Referencia en la misma Ubicación
Debería haber una diferencia de 100 mV o más entre los potenciales tubo-suelo
del encamisado y de la tubería; de no ser así, debe realizarse otro ensayo sobre el
casing (véase también NACE SP-0200).
Ejemplo
Casing
Tubería
Se sospecha corto
–0.900 VCSE
–0.900 VCSE
Aislado
–0.750 VCSE
–0.910 VCSE
Relevamiento de Potencial Estructura-Electrolito Interrumpido
Este ensayo requiere la interrupción de la fuente de protección catódica más
cercana, o la aplicación de corriente interrumpida adicional a la tubería para
producir un cambio en el potencial tubo-electrolito. Mida los potenciales
estructura-electrolito “on” y “off” para el encamisado y el tubo principal. Si
los potenciales del encamisado ciclan en simultáneo con los potenciales de la
tubería y los potenciales “on” y “off” de tubería y casing son iguales, es muy
probable que estas dos estructuras estén en corto eléctrico. Si los potenciales
del encamisado se desplazan en dirección opuesta a los de la tubería, o sólo
cambian levemente entre “on” y “off” en comparación con los del tubo, las dos
estructuras no estarían en corto. Recuerde que el electrodo de referencia debe
ubicarse cerca del extremo del encamisado y no debe moverse durante estas
mediciones.
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Resolución de Problemas
Ejemplo
Casing
Tubo
En corto
ON
OFF
–1.00 VCSE
–1.56 VCSE
–1.00 VCSE
–1.56 VCSE
Aislado
ON
OFF
–1.00 VCSE
–1.00 VCSE
–1.56 VCSE
–1.00 VCSE
Hay que ser cuidadoso al interpretar estos datos. Si la fuente de corriente de PC
está muy cercana al casing, es posible que los potenciales del casing varíen entre
el ciclo “on” y “off”, por estar sujetos al gradiente anódico de la fuente de PC.
Otros Relevamientos en Casings
En la norma NACE SP-0200 se ofrece una descripción completa de los
distintos ensayos en casings. Si al terminar un ensayo queda alguna duda
acerca de la aislación entre casing y tubo, es necesario realizar ensayos
adicionales.
No puede usar un óhmetro para medir la resistencia entre un tubo y un
casing, en primer lugar por el paso en paralelo a través del suelo, y en
segundo lugar porque la diferencia de potencial entre encamisado y tubería
interfieren con el circuito del óhmetro. En el primer caso, la resistencia
entre tubería y casing a través del suelo puede ser muy baja. Si el tubo y el
casing están aislados, la diferencia de potencial entre ellos contribuirá o se
opondrá al voltaje del óhmetro, de manera que al conectarlo de una manera
indicará una resistencia muy alta, y con los cables conectados de forma
inversa indicará una resistencia muy baja.
Niveles de Protección Catódica
Existen muchos factores que pueden afectar el nivel de protección catódica.
Los siguientes son posibles problemas que, de presentarse, deberán
investigarse para determinar si hay una pérdida de protección catódica.
• Reducción de la corriente de protección catódica.
o Los potenciales estructura-electrolito variarán en proporción
a la corriente aplicada.
• Funcionamiento defectuoso del dispersor.
o La resistencia del dispersor aumentará en la medida en que
los ánodos fallen, hasta que la salida de voltaje del
rectificador ya no pueda suministrar la corriente requerida.
• Uniones de continuidad defectuosas.
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Resolución de Problemas
•
•
•
•
•
o Una unión defectuosa dejará aislada una porción de la
estructura que se desea proteger.
Aislación en corto.
o Si una aislación en corto conecta a la estructura con un
potencial menos electronegativo, el potencial de la
estructura protegida también se volverá menos
electronegativo.
Contacto subterráneo con estructuras foráneas
o Un contacto subterráneo tendrá los mismos efectos que una
aislación en corto.
Encamisado en corto
o Un casing en corto provocará un elevado drenaje de
corriente del sistema, lo que dará por resultado un potencial
más electronegativo, además de actuar como pantalla con
respecto al tubo en el interior del encamisado, como se dijo
anteriormente.
Interferencia por corrientes vagabundas
o Una corriente vagabunda hará que el potencial se vuelva
más electronegativo en el punto de entrada de la corriente, y
menos electronegativo en el punto de descarga. Tenga en
cuenta que, para manejar correctamente un problema de
interferencia, debe poder interrumpirse la fuente de la
interferencia.
Mediciones inexactas.
o Un contacto de alta resistencia entre el electrodo de
referencia y el suelo, electrodos de referencia contaminados,
una elevada resistencia de contacto con la estructura, cables
defectuosos o medidores dañados; todos estos factores
contribuye a la inexactitud de las mediciones.
Todos estos problemas se discuten en forma más detallada en otras partes
de este manual.
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Resolución de Problemas
Funcionamiento Defectuoso de Dispersores
Dispersores de Corriente Impresa y Galvánicos
Deterioro de los Ánodos
El deterioro de los ánodos produce una reducción de su tamaño. A medida
que disminuye el tamaño de los ánodos, aumenta la resistencia del ánodo al
electrolito. A medida que aumenta la resistencia, cae el drenaje de corriente
para un voltaje dado. Si usted nota que frecuentemente debe aumentar el
voltaje del rectificador para mantener la corriente deseada, la causa puede
ser el deterioro de los ánodos.
Relleno Inapropiado
El relleno anódico debe ser cuidadosamente compactado en capas alrededor
de los ánodos de manera que el contacto entre ánodo y relleno sea bueno.
Esto permite la transferencia electrónica de corriente desde el ánodo hacia
el relleno, extendiendo la vida útil del ánodo. Si el relleno no está bien
colocado, no servirá a su propósito y se acelerará el deterioro del ánodo.
Esto aumentará la resistencia del ánodo a tierra, acortando su vida útil.
Rotura de los Cables
Los cables pueden romperse por daños de terceros en excavaciones o por la
descarga de corriente desde cables positivos. Si una conexión no está bien
aislada o si el cable está expuesto, se deteriorará rápidamente. Estas roturas
de cables son indicadas por una brusca reducción del drenaje de corriente
del rectificador.
La falla también puede ocurrir en un cable negativo. Si esto sucede,
generalmente la corriente del rectificador cae a cero. Si el cable se
desconecta de la estructura, pero se mantiene en sus cercanías, la salida de
corriente del rectificador puede caer, pero no a cero. Esto se debe a que la
corriente retorna al cable negativo a través del electrolito. Nótese que si
esto sucede, se producirá una corrosión acelerada de la estructura en el
punto de descarga.
Problemas de Ventilación de los Gases
Éste es un problema común en ánodos profundos y en suelos muy
compactados. Ocurre debido a que el gas (por ejemplo, oxígeno o cloro)
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generado en la reacción anódica no puede escaparse del ánodo. El gas
aumenta la resistencia ánodo-tierra, reduciendo la salida de corriente del
rectificador.
Secado del Suelo
En tiempos de sequía o bajo contenido de humedad del suelo, la
resistividad del suelo aumenta en forma considerable. Esto aumentará la
resistencia del dispersor a la tierra. Será necesario un voltaje más elevado
para producir la corriente deseada.
Sin embargo, antes de realizar cambios en la salida de voltaje, verifique el
nivel de protección catódica en la estructura. En suelos de alta resistividad,
se requiere menos corriente de protección que en suelos de baja
resistividad. Por lo tanto, es probable que usted pueda mantener la
protección con menos corriente durante los períodos de sequía.
Rectificadores
Mantenimiento de Rutina
Con un mantenimiento regular pueden evitarse muchos problemas en los
rectificadores. El principal objetivo de un buen programa de mantenimiento
del rectificador es prevenir las fallas y reparar rápidamente las fallas que sí
ocurran. Para tuberías que transportan gas o hidrocarburos líquidos, el
monitoreo regular está requerido normalmente por el Ente regulador.
Si se tienen en cuenta ciertas observaciones cada vez que se está por hacer
una medición de rutina del rectificador, se pueden evitar muchas fallas
potenciales. La siguiente lista de observaciones puede ayudar a detectar
rápidamente un potencial problema.
•
•
•
•
•
Oiga si hay cualquier ruido inusual.
Observe si hay signos de calor (decoloración).
Observe si hay obstrucciones en el venteo.
Observe si hay cambios significativos en el drenaje.
Huela si hay cualquier olor inusual (por ejemplo: huevos podridos–
fallas en placas de selenio, ozono –fallas en la aislación, quemado–fallas
en la aislación).
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• Detecte si hay una generación de calor inusual (apague la fuente antes
de tocar los componentes activos).
Por lo menos una vez al año (generalmente al momento del relevamiento de
corrosión anual), hay que inspeccionar cuidadosa y sistemáticamente los
rectificadores. Debe prestarse especial atención a los siguientes puntos:
• Limpie y ajuste todas las conexiones que conducen corriente.
• Limpie todas las mallas de ventilación y elimine cualquier obstrucción
que hubiere.
• Elimine insectos o nidos de animales y tapone los puntos de entrada.
• Verifique los medidores comparándolos con instrumentos portátiles
calibrados.
• Reemplace cualquier cable con la aislación rota o deteriorada.
• Verifique que ningún elemento de protección (llaves, fusibles, o
pararrayos) esté dañado.
• Inspeccione cuidadosamente si hay un excesivo calentamiento.
• Para unidades sumergidas en aceite, verifique el color y el nivel del
mismo. Cámbielo si los componentes del rectificador no pueden verse a
través del aceite.
Problemas de Drenaje
Un buen programa de mantenimiento puede detectar fallas potenciales del
rectificador antes de que ocurran, permitiendo realizar reparaciones antes
de sacarlo de servicio. Sin embargo, aún con el mejor programa de
mantenimiento, ocurren fallas. Las técnicas básicas paso-a-paso de
resolución de problemas (troubleshooting) pueden por lo general
determinar la causa de la salida de servicio. En el siguiente análisis se
consideran solamente rectificadores monofásicos de ajuste manual.
Al revisar el drenaje del rectificador rutinariamente, hay cuatro síntomas
básicos que requieren investigación: corriente y voltaje cero, corriente cero
sin cambios en el voltaje, cambios significativos en la corriente sin cambios
en el voltaje, o cambios significativos tanto en el voltaje como en la
corriente.
Corriente y Voltaje Cero
En el caso de que tanto la corriente como el voltaje sean cero, o bien no hay
energía en la unidad o bien existe un circuito abierto dentro del rectificador.
Primero, determine si hay voltaje de entrada AC. Si no lo hay, el problema
es externo al rectificador. Si hay voltaje AC en los terminales de entrada,
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hay un circuito abierto dentro del rectificador. Sin embargo, el circuito
abierto puede deberse a un llave térmica que ha saltado en la entrada del
rectificador.
El componente que causa el circuito abierto puede localizarse si se tiene en
cuenta que el voltaje del rectificador debe existir a través del mismo. Si se
determina que la llave térmica ha saltado, ha habido una elevada corriente o
sobrecarga. Esta corriente elevada puede haber sido un problema temporal,
tal vez un rayo, o un cortocircuito permanente. La mejor manera de
proceder en este caso es reducir el sistema de regulación de voltaje a un
nivel bajo y volver a enganchar la llave térmica. Si ésta no saltara ahora,
probablemente el problema haya sido temporario y se puede restablecer por
completo el voltaje de salida. Si se repitiera el salto de la llave térmica, esto
indica un cortocircuito permanente.
Para determinar si el corto es externo al rectificador, desconecte uno de los
cables de salida DC y vuelva a conectar la llave térmica. Si el corto es
externo, la llave térmica no volverá a saltar. Si el corto es interno, la llave
térmica volverá a saltar. Si el problema parece estar en el rectificador, es
necesario ponerse en contacto con una persona calificada, que pueda
realizar un diagnóstico y repararlo, o devolverlo al fabricante para que lo
repare.
La secuencia de la Figura 9.9 describe un cortocircuito en el rectificador.
Voltaje
de entrada
AC
No
Problema externo
al rectificador del
lado de la entrada
Corto temporario
No
Re staure la
tensión ante rior
No
Corto está en el
circuito externo
té rmica
Sí
Sí
Salta la
Llave Té rmica
Salta
la llave
No
Localice el circuito
abie rto, midiendo
la caída IR en
componentes.
De sconecte la salida
y reinserte la llave
Salta
la llave
té rmica
Sí
Sí
Reduzca la tensión de salida
y reinserte la llave térmica
Aísle el componente
en corto agregando
de a un componente a la vez
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Figura 9.9 Cortocircuito en un Rectificador
Corriente Cero sin Cambios en el Voltaje
Si el voltaje de corriente continua de salida del rectificador permanece
relativamente inalterado pero la salida de corriente es cero, es porque existe
un circuito abierto, que puede estar causado por:
• Un fusible abierto en el circuito de salida
• Un cable abierto (positivo o negativo)
• Una falla en el dispersor
Si se encuentra un fusible abierto en el circuito de salida, es porque existe
(o ha existido) un corto en el circuito.
Cambios Significativos en la Corriente sin Cambios en el
Voltaje
Si la salida de corriente continua cambia significativamente sin cambios en
el voltaje de salida, es porque ha cambiado la resistencia del circuito. Si la
corriente ha aumentado, la resistencia ha disminuido. Esto puede deberse a
agregados al sistema, cortos a otras estructuras enterradas, o grandes daños
en el revestimiento. Si la salida de corriente disminuye sensiblemente, la
resistencia ha aumentado. Algunas causas posibles incluyen instalación de
aislantes sobre la línea, deterioro del dispersor, discontinuidad debida a la
desconexión de algún componente del sistema, o bloqueo de gases. Las
variaciones estacionales de las condiciones del suelo, como sequías o
congelamiento, también pueden aumentar la resistencia en el circuito.
Cambios Significativos tanto en el Voltaje como en la
Corriente
A veces disminuyen sensiblemente tanto el voltaje como la corriente de
salida. Si disminuyen aproximadamente a la mitad de sus valores normales,
la causa más probable es la falla parcial de las placas rectificadoras
(solamente media onda rectificada). Si las placas rectificadoras están
funcionando normalmente, debe verificarse que nos haya cortos en los
arrollamientos de los bobinados.
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