CP Manual delNIVEL Curso CP 1–Cathodic Manual Protection Tester Julio 2008 © NACE International, 2000 Enero 2009 © 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 7/2008 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. 7/2008 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) 7/2008 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 7/2008 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 7/2008 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. 7/2008 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. 7/2008 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 7/2008 Page 1 of 3 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 7/2008 Page 2 of 3 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? © NACE International, 2003 7/2008 Page 3 of 3 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 7/2008 Page 1 of 3 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 © NACE International, 2003 7/2008 Page 2 of 3 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 7/2008 Page 3 of 3 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 ................................................................................................... 7 LEYES ELÉCTRICAS ...................................................................................................... 7 LEY DE OHM ............................................................................................................. 7 POTENCIA ................................................................................................................ 9 LEYES DE KIRCHHOFF ............................................................................................. 10 CIRCUITO EN SERIE ................................................................................................ 11 CIRCUITO EN PARALELO ......................................................................................... 13 CIRCUITO SERIE-PARALELO .................................................................................... 16 CORRIENTE CONTINUA (DC) ................................................................................... 18 CORRIENTE ALTERNA (AC) ..................................................................................... 18 FUNCIONAMIENTO DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN.............................................. 22 GENERAL ............................................................................................................... 22 INSTRUMENTOS ANALÓGICOS ................................................................................. 23 INSTRUMENTOS DIGITALES ..................................................................................... 26 EJERCICIO 1.1: LEY DE OHM ...................................................................................... 28 EJERCICIO 1.2: CIRCUITO EN SERIE ............................................................................ 29 EJERCICIO 1.3: CIRCUITO EN PARALELO ...................................................................... 30 EJERCICIO 1.4: TABLERO DE RESISTENCIAS E INSTRUMENTO DE LABORATORIO............ 32 January 2009 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 .............................................................................................................................. 30 RESULTADOS ......................................................................................................... 31 CONCLUSIONES ...................................................................................................... 31 EXPERIMENTO 2.2–CELDA DE CORROSIÓN.............................................................. 32 CONCLUSIONES ...................................................................................................... 39 EXPERIMENTO 2.3. SENTIDO DE LA CORRIENTE EN EL ELECTROLITO EN LAS CELDAS DE CORROSIÓN ...................................................................................................... 40 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 2009 II AISLACIÓN ELÉCTRICA .................................................................................................. 4 CONTROL AMBIENTAL ................................................................................................... 5 INHIBIDORES............................................................................................................. 5 AJUSTE DEL PH ........................................................................................................ 5 MANTENIMIENTO DEL CONTROL AMBIENTAL .............................................................. 5 PROTECCIÓN CATÓDICA ............................................................................................... 6 TEORÍA .................................................................................................................... 6 DEFINICIÓN .............................................................................................................. 7 ESTRUCTURAS QUE PUEDEN PROTEGERSE CON PROTECCIÓN CATÓDICA ...................... 8 SISTEMAS DE ÁNODOS GALVÁNICOS ......................................................................... 9 ÁNODOS ................................................................................................................... 9 COMPONENTES DE LOS SISTEMAS GALVÁNICOS ...................................................... 12 ÁNODOS ................................................................................................................. 12 ESPECIFICACIONES PARA SISTEMAS DE ÁNODOS GALVÁNICOS ................................ 14 SISTEMAS POR CORRIENTE IMPRESA .......................................................................... 15 FUENTES DE ENERGÍA ............................................................................................ 16 LIMITACIONES DE LOS SISTEMAS POR CORRIENTE IMPRESA ..................................... 17 COMPONENTES DE LOS SISTEMAS POR CORRIENTE IMPRESA................................... 17 RELLENO (BACKFILL) .............................................................................................. 20 FUENTES DE ENERGÍA ............................................................................................ 20 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL FUNCIONAMIENTO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA ....... 24 CONTENIDO DE HUMEDAD EN EL SUELO .................................................................. 24 REVESTIMIENTO ..................................................................................................... 24 TEXTURA DEL SUELO .............................................................................................. 24 TEMPERATURA ....................................................................................................... 25 CONTENIDO DE OXÍGENO ........................................................................................ 26 MOVIMIENTO DE ESTRUCTURA Y ELECTROLITO ........................................................ 26 COMPOSICIÓN DEL ELECTROLITO ............................................................................ 26 PANTALLA ELÉCTRICA............................................................................................. 27 CRITERIOS DE PROTECCIÓN CATÓDICA ....................................................................... 28 CRITERIOS RECOMENDADOS POR NACE INTERNATIONAL ........................................ 28 NORMA ISO 15589-1 ............................................................................................. 35 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 2009 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 ........................................................................................... 9 PINZAS AMPEROMÉTRICAS (CLAMP-ON AMMETERS) ................................................ 10 SHUNTS ................................................................................................................. 11 APLICACIONES COMUNES ....................................................................................... 15 MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA .................................................................................... 22 MEDICIONES COMUNES .......................................................................................... 22 USANDO LA LEY DE OHM......................................................................................... 22 USANDO UN ÓHMETRO ........................................................................................... 22 CONTINUIDAD ELÉCTRICA ........................................................................................... 23 AISLACIÓN ELÉCTRICA ................................................................................................ 24 PROPÓSITO Y USOS ............................................................................................... 24 JUNTAS AISLANTES ................................................................................................. 25 CONTACTOS ACCIDENTALES ................................................................................... 25 MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA ENTRE UN TUBO Y UN ENCAMISADO .......................... 26 MEDICIÓN DE LA CONTINUIDAD DE LA ESTRUCTURA ................................................. 26 CIRCUITO PARA VERIFICACIÓN DE DIODOS .................................................................. 27 MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL ELECTROLITO ....................................................... 27 MÉTODO DE CUATRO PUNTAS DE WENNER ............................................................. 27 CAJA DE SUELOS .................................................................................................... 29 SONDA DE RESISTIVIDAD ........................................................................................ 30 MEDICIÓN DEL PH ....................................................................................................... 31 USO DE DISPOSITIVOS PARA LOCALIZAR TUBERÍAS ...................................................... 32 OPERACIÓN POR CONDUCCIÓN ............................................................................... 32 INDUCTIVOS............................................................................................................ 34 USO DE INTERRUPTORES DE CORRIENTE .................................................................... 34 MEDICIONES CON CUPONES ....................................................................................... 35 Sección 6 Capítulo 6 - Interferencia por Corrientes Vagabundas DEFINICIONES .............................................................................................................. 1 EFECTOS ..................................................................................................................... 1 FUENTES ...................................................................................................................... 1 TIPOS DE CORRIENTES VAGABUNDAS ........................................................................... 2 CORRIENTES VAGABUNDAS DINÁMICAS ..................................................................... 2 CORRIENTES VAGABUNDAS DE ESTADO ESTACIONARIO ............................................. 2 IDENTIFICACIÓN DE LAS CORRIENTES VAGABUNDAS ...................................................... 3 CORRIENTES VAGABUNDAS DINÁMICAS ..................................................................... 3 CORRIENTES VAGABUNDAS DE ESTADO ESTACIONARIO ............................................. 4 CONTROL DE LA CORROSIÓN POR CORRIENTES VAGABUNDAS ....................................... 5 UNIONES MITIGANTES (MITIGATION BONDS) .............................................................. 5 MITIGACIÓN CON PROTECCIÓN CATÓDICA ................................................................. 7 EXPERIMENTO 6.1 — DEMOSTRACIÓN DE LA INTERFERENCIA CATÓDICA .................... 8 January 2009 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............................................................................ 18 ÁNODOS TIPO CINTA .............................................................................................. 18 ÁNODOS EN FORMA DE BRAZALETE ......................................................................... 18 ÁNODOS OFFSHORE ............................................................................................... 19 DISPERSORES DE CORRIENTE IMPRESA ...................................................................... 20 GENERAL ............................................................................................................... 20 MANIPULEO E INSPECCIÓN DE ÁNODOS Y CABLES ................................................... 21 DISPERSORES SUPERFICIALES ................................................................................ 23 ÁNODO PROFUNDO................................................................................................. 27 CIRCUITO NEGATIVO ............................................................................................... 29 INSTALACIÓN DE RECTIFICADORES U OTRAS FUENTES................................................. 30 GENERAL ............................................................................................................... 30 RECTIFICADORES ................................................................................................... 31 SALIDA DE CORRIENTE CONTINUA ........................................................................... 31 January 2009 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 ..................................................... 11 DISPERSORES DE CORRIENTE IMPRESA Y GALVÁNICOS ........................................... 11 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 2009 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 2009 VII Instrucciones para Completar la Planilla de Puntaje/Planilla de Matriculación de Estudiante ParSCORETM 1. Use un lápiz Número 2. 2. Complete toda la siguiente información y los círculos correspondientes para cada categoría: √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ Número de ID. TELÉFONO: ID de Estudiante, ID de NACE o ID Temporario provisto. Su número telefónico. Los últimos cuatro dígitos de este número serán su contraseña para acceder a sus calificaciones on-line. APELLIDO: Su apellido. NOMBRE: Su nombre de pila (o nombre por el que lo llaman). I.M.: Inicial media (si la tiene) FORM. EXAMEN: Ésta es la versión del examen que está rindiendo TEMA: Ésta es la versión del examen que está rindiendo NOMBRE: _________________(su nombre complete) ASIGNATURA: _____________(ingrese el tipo de examen que rinde, por ej., CP Nivel 1) FECHA: ___________________(fecha en que rinde el examen) 3. La siguiente sección del formulario (1 a 200) es para las respuestas a las preguntas del examen. • Todas las respuestas DEBEN estar rodeadas de un círculo en 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. • Haga un círculo en una sola respuesta por pregunta y no complete más respuestas de las que contiene el examen. INSTRUCCIONES EN INTERNET PARA ACCEDER A LAS CALIFICACIONES NACE tiene la política de no revelar los puntajes de los estudiantes por teléfono, e-mail o fax. Los estudiantes recibirán una carta con el puntaje, por correo normal o a través de un representante de la compañía, aproximadamente de 6 a 8 semanas después de completado el curso. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los estudiantes pueden acceder a sus calificaciones a través del website de NACE de 7 a 10 días después de que la Oficina Central de NACE haya recibido los exámenes. Las instrucciones para este proceso son: Para acceder a su calificación en el website de NACE visite: www.nace.org Seleccione: Education Students Only 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 Temporario de Estudiante (Ejemplo 123456 o 4240700217)*. Ingrese su Contraseña de 4 dígitos (Normalmente, los últimos cuatro dígitos del número de teléfono que usted ingresó en la planilla del examen) Haga click en Search Antes de irse de la clase anote la información correspondiente a su curso y a su ID de estudiante en el espacio que sigue: ID de ESTUDIANTE__________________CÓDIGO DEL CURSO_________________ CONTRASEÑA (Sólo Cuatro Dígitos) ___________________ *El ID de Estudiante de los miembros de NACE será el mismo que su número de miembro de NACE, a menos que se les haya asignado un número de ID Temporario de Estudiante para este curso. Para los que se hayan registrado 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 de los estudiante. A los que se registren en cursos In-House, de Licenciatarios o de Secciones de NACE, se les asignará un ID Temporario para el curso, a los efectos de que puedan acceder a sus calificaciones online. En el caso de los cursos In-House, la información no estará disponible en el website hasta que hayamos recibido el pago de la compañía organizadora. SI tiene alguna pregunta, por favor comuníquese con Carol Steele en [email protected] o al 281-228-6244. 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 7/2008 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. ____________________________________________________________ Protección Catódica Nivel 1, Manual de Enseñanza ©NACE International, 2000 7/2008 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 ____________________________________________________________ Protección Catódica Nivel 1, Manual de Enseñanza ©NACE International, 2000 7/2008 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. Certificación El formulario de inscripción para la Certificación deberá ser completado y entregado a NACE antes del examen final. La Certificación como Cathodic Protection Tester será entregada a cada participante, una vez cumplimentada la entrega del formulario de inscripción y la aprobación del examen final tanto teórico como práctico. ____________________________________________________________ Protección Catódica Nivel 1, Manual de Enseñanza ©NACE International, 2000 7/2008 4 Solicitud de Inscripción CP 1 - Cathodic Protection Tester (Debe enviarse a las oficinas centrales de NACE para completar la certificación) Miembro de NACE: Sí No Miembro # Nombre del Solicitante: Domicilio particular: Nombre de la compañía: Domicilio de la compañía: País: Código postal: Teléfono: Part. Comercial Fax E-mail: FECHA: FIRMA: NOMBRE (IMPRENTA): REQUISITOS PARA OBTENER LA CERTIFIACIÓN: Para obtener esta certificación, existen dos opciones: AISTENCIA A CLASES – Curso CP1 - Cathodic Protection Tester o EXAMEN LIBRE - CP 1-Cathodic Protection Tester PROCEDIMIENTO PARA LA SOLICITUD Se recomienda enfáticamente que los candidatos al Examen Libre envíen la solicitud de certificación con al menos 60 días de anticipación, de manera que podamos verificar los pre-requisitos laborales y educativos. REQUISITOS PARA LA RE-CERTIFICACIÓN Cada tres (3) años. La re-certificación requiere de una experiencia laboral mínima de 2 años en protección catódica y 8 horas por año (24 hrs. en total) de desarrollo profesional. ENVÍE EL FORMULARIO COMPLETO Y FIRMADO A: CORREO: NACE INTERNATIONAL CERTIFICATION DEPARTMENT 1440 SOUTH CREEK DRIVE HOUSTON, TX 77084 FAX: 281-228-6311 Si tiene alguna pregunta, por favor contacte a Marie Newton en nuestro departamento de Certificación al teléfono 281-228-6211 o por e-mail a [email protected]. DECLARACIÓN Declaro que: 1. Comprendo que soy el único responsable de que toda la documentación necesaria relacionada con mi experiencia laboral se complete y envíe a la Oficina Central de NACE en tiempo y forma. 2. Comprendo que si suministro concientemente, o hago que un tercero suministre, información falsa con respecto a mi admisión en el Programa Internacional de Capacitación y Certificación de NACE, se podrán tomar medidas contra mi permanencia en el mismo. 3. Comprendo que los nombres de las categorías dentro del Programa Internacional de Capacitación Y Certificación de NACE son las siguientes: Máximo Nivel Completado con Éxito Título de la Categoría CP 1 CP1-Cathodic Protection Tester CP 2 CP2-Cathodic Protection Technician CP 3 CP3-Cathodic Protection Technologist CP 4 CP4-Cathodic Protection Specialist 4. NACE tiene una política estricta con respecto al uso de sus logotipos y números y títulos de sus certificaciones. El número y título de la categoría de certificación sólo pueden ser usados por los NACE CP 1-Cathodic Protection Testers, NACE CP 2-Cathodic Protection Technicians, NACE CP 3-Cathodic Protection Technologists, y NACE CP 4-Cathodic Protection Specialists, y no pueden ser usados por ninguna otra persona. Todos los que cuenten con la certificación activa están autorizados a usar los términos “NACE CP 1Cathodic Protection Tester,” “NACE CP 2-Cathodic Protection Technician,” “NACE CP 3-Cathodic Protection Technologist,” o “NACE CP 4-Cathodic Protection Specialist” (según el nivel de certificación alcanzado) y su número de certificación en sus tarjetas comerciales. Este ejemplo muestra cómo puede usar esta información un NACE CP 1-Cathodic Protection Tester. Juan Pérez NACE CP 1-Cathodic Protection Tester, Cert. No. 9650 Inspecciones ACE, Inc., Bs. As., ARGENTINA Los NACE CP 1-Cathodic Protection Testers, NACE CP 2-Cathodic Protection Technicians, NACE CP 3Cathodic Protection Technologists, y NACE CP 4-Cathodic Protection Specialists que sean miembros de buen crédito de NACE International pueden hacer uso del Logotipo de NACE para indicar que han alcanzado una Certificación de NACE. Comprendo que la violación de estas reglas resultará en medidas en contra de mi permanencia en el programa, en base a la violación de la violación de esta Declaración del Programa de Protección Catódica de NACE International. 5. Corroboro esta declaración del Programa de Certificación en Protección Catódica de NACE International y acepto cumplir con sus disposiciones mientras tenga cualquier nivel de admisión y reconocimiento en este programa. Firma: Fecha: ESTE DOCUMENTO DEBE SER FIRMADO Y DEVUELTO JUNTO CON LA SOLICITUD QUÉDESE CON UNA COPIA DE ESTE DOCUMENTO PARA SU ARCHIVO DECLARACIÓN Por la presente: (1) Reconozco y acepto que el control apropiado de la protección catódica puede resultar crucial para la seguridad y bienestar del público en general y las instalaciones industriales. (2) Reconozco y acepto que el control de la protección catódica es obligatorio para optimizar la conservación de nuestros recursos materiales, para reducir las pérdidas económicas y para proteger el medio ambiente. (3) Reconozco y acepto que el ámbito de la protección catódica y su control abarca la aplicación del conocimiento y la experiencia de diversas disciplinas y niveles de competencia técnica, a los que con frecuencia es preciso consultar. (4) Reconozco y acepto que sólo puede llegarse a las soluciones más seguras y económicas de muchos de los problemas relacionados con la protección catódica mediante la continua asociación y cooperación con otros en este ámbito. (5) Reconozco y acepto que la calidad de mi trabajo se proyecta sobre toda la profesión del control de la corrosión. Por esto, yo: (1) Acepto otorgar la máxima prioridad a la seguridad y bienestar públicos y a la protección del medio ambiente en mi trabajo de protección catódica. (2) Acepto dedicarme con diligencia y responsabilidad al trabajo de protección catódica que esté dentro de mi ámbito de competencia. (3) Acepto realizar mi trabajo con imparcialidad, honestidad, integridad y cortesía, pensando siempre en los intereses del público, mi empleador y mis colegas. (4) Acepto no presentarme como experto ni hacer recomendaciones acerca de fases del trabajo de protección catódica e las que no esté calificado por mi conocimiento y experiencia. (5) Acepto evitar y desalentar las afirmaciones falsas, sensacionalistas, exageradas y/o injustificadas con respecto a mi trabajo en presentaciones orales y escritas y/o medios de publicidad. (6) Acepto tratar como confidencial mi conocimiento acerca de los asuntos comerciales y/o procesos técnicos de clientes, empleadores o clientes, cuando su interés así lo requiera. (7) Acepto informar a los clientes o empleadores acerca de cualquier afiliación comercial, intereses y/o conexiones que puedan influir mi juicio. (8) Acepto sostener, promover y contribuir a la realización de los objetivos de NACE International. Comprendo que, de no cumplir con estos requerimientos, se podrás tomar acciones disciplinarias en mi contra. Firma: Nombre (en imprenta): Fecha: ESTE DOCUMENTO DEBE SER FIRMADO Y DEVUELTO JUNTO CON LA SOLICITUD QUÉDESE CON UNA COPIA DE ESTE DOCUMENTO PARA SU ARCHIVO M U E S T R A Formulario 1: Resumen de Experiencia Laboral Relacionada con la Protección Catódica Instrucciones: Haga y utilice todas las copias que sean necesarias. Por favor suministre la información solicitada. Los formularios deben estar escritos en forma legible, en tinta negra y mayúsculas, o tipeados. Si la información es ilegible, puede retrasarse el proceso de solicitud. Si necesita ayuda con este formulario, póngase en contacto con la División de educación en la Oficina Internacional de NACE. Información del Solicitante: Teléfono: (54-11) 4444-7889 Nombre: Juan Pérez Compañía: ZZZ Inspección de Revestimientos S.A. Domicilio: Av. Forest 5447 Ciudad: Buenos Aires Fax: (54-11) 4444-7887 Provincia/Estado: Buenos Aires Código Postal: 1478 País: ARGENTINA Por favor, resuma la siguiente información en cada copia del Formulario 2, Documentación Laboral Personal. Haga una lista de sus experiencias laborales, comenzando por la más reciente, siguiendo con las menos recientes. Nombre de la Compañía Desde Mes/Año Hasta Mes/Año Cantidad de Meses en este Puesto 1/92 1/95 36 Medición de PC en tuberías ZZZ Tuberías de Gas Ltd. 12/89 12/91 24 Instalador AAA Instalación de Tanques 12/87 12/89 24 Gerente de Diseño ABC Diseño de PC / / / / / / / / / / / / / / Puesto Declaración del Solicitante: Comprendo que si concientemente proporciono una información falsa con respecto mi admisión en este programa, esto dará lugar a medidas disciplinarias. Firma: XXX Fecha: Formulario 1: Resumen de Experiencia Laboral Relacionada con la Protección Catódica Instrucciones: Haga y utilice todas las copias que sean necesarias. Por favor suministre la información solicitada. Los formularios deben estar escritos en forma legible, en tinta negra y mayúsculas, o tipeados. Si la información es ilegible, puede retrasarse el proceso de solicitud. Si necesita ayuda con este formulario, póngase en contacto con la División de educación en la Oficina Internacional de NACE. Información del Solicitante: Teléfono: Nombre: Compañía: Fax: Domicilio: Ciudad: Provincia/Estado: Código Postal: País: Por favor, resuma la siguiente información en cada copia del Formulario 2, Documentación Laboral Personal. Haga una lista de sus experiencias laborales, comenzando por la más reciente, siguiendo con las menos recientes. Desde Mes/Año Hasta Mes/Año / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / Cantidad de Meses en este Puesto Puesto Nombre de la Compañía Declaración del Solicitante: Comprendo que si concientemente proporciono una información falsa con respecto mi reconocimiento en este programa, esto dará lugar a medidas disciplinarias. Firma: Fecha: EXPERIENCIA LABORAL FORMULARIO 2: EXPERIENCIA LABORAL PERSONAL Página ____ de ____ Utilice uno de estos formularios para cada período de experiencia laboral (“puesto”) que desee documentar. Haga y use todas las copias que sean necesarias. Por favor suministre la información solicitada mediante las directivas y definiciones suministradas. ____________________________________________________________________________________ Información del Puesto Nombre del Solicitante: ____________________ ¿A quién puede contactar NACE para verificarlo? Puesto: ________________________________ Nombre: _________________________________ Compañía:______________________________ Compañía: _______________________________ Desde: Mes______________ Domicilio: _________________________________ Año _______ _ Hasta: Mes ______________ Año_________ Estado/Provincia: __________________________ Código Postal: _____________________________ Teléfono:________________________________ Fax: ___________________________________ C.2 E-mail: _________________________________ EXPERIENCIA LABORAL FORMULARIO 2: EXPERIENCIA LABORAL PERSONAL Página ___ de ___ Describa en forma detallada cuáles son/eran sus responsabilidades relacionadas con la protección catódica en este puesto. (No escriba al dorso de este formulario. Puede adjuntar hojas adicionales, escritas de un solo lado) ES OBLIGATORIO COMPLETAR ESTA SECCIÓN Le devolveremos su solicitud si deja este espacio en blanco _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________ Firma: Fecha: _________________________ HAGA UNA COPIA DE TODAS LAS PÁGINAS DE ESTA SOLICITUD PARA SU ARCHIVO 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 7/2008 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 7/2008 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 7/2008 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: • Medios de alta resistividad (baja conductividad) 4 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:5 • 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 resistencia entre dos caras paralelas de un cubo de un cm por lado. Las 5 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:6 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 6 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 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 Esto puede ilustrarse gráficamente mediante el “Triángulo de la Ley de Ohm”: 7 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:8 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 8 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 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 9 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 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 10 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 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 entre un único ánodo galvánico y una estructura también constituye un circuito eléctrico. 11 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:12 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 12 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica Si se sabe que 1:13 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. 13 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 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 14 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 R3 Electricidad Básica 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. 15 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 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. IT I R1 1 I 2 R2 I 3 + E2 I – 4 R 4 IT Figura 1.8 Circuitos en Serie y en Paralelo Combinados 16 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 R3 Electricidad Básica Dados 1:17 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. IT E2E 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. 17 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:18 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. 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 18 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:19 ó 60 hz (ciclos por segundo) La Figura 1.11 muestra una corriente alterna típica. 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 19 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:20 Má xim a corriente hacia adelante Corriente Cero Medio Ciclo Figura 1.12 DC Producida por el Rectificar de AC 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. 20 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:21 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 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. 21 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:22 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. 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). 22 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:23 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. 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. 23 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:24 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. 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. 24 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:25 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 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. 25 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:26 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 analógico-digital. 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 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. 26 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:27 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. 27 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:28 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? _______________________ 28 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 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 29 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Electricidad Básica 1:31 Usando flechas, demuestre la aplicación de la Ley de Corriente de Kirchhoff. 31 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 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. 32 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 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 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. 33 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 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 ____________ __________ Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 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” © NACE International, 2006 7/2008 “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. © NACE International, 2006 7/2008 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 © NACE International, 2006 7/2008 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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) Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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- Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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- - ee - ee CATHODE CÁTODO ELECTROLITO + + + + e- ee- e e- e- ee- 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión 2:17 Figura 2.15 Electrodos de Referencia Portátiles de Cobre-Sulfato de Cobre Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión 2:27 Batería de Grafito-Zinc Terminal Positi vo Sello Pitch Recubrimi ento protec tor Pasta elec trolítica (cloruro de amonio y clor uro de zinc) Seal Espaci aire Airo de Space Mezcla de carbón y di óxido de manganeso dioxide mixture Zinc Separador Separator Carbon rod Varilla de Carbón Terminal N egati vo Figura 2.17 Batería de una Linterna como Ejemplo de una Celda Galvánica EXPERIMENTO 2.3 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 Química Básica y Teoría Básica de la Corrosión 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 ¿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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/08 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. CP 1 – Cathodic Protection Tester Course Manual © NACE International, 2000 7/2008 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. CP 1 – Cathodic Protection Tester Course Manual © NACE International, 2000 7/2008 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 CP 1 – Cathodic Protection Tester Course Manual © NACE International, 2000 7/2008 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 CP 1 – Cathodic Protection Tester Course Manual © NACE International, 2000 7/2008 Capítulo 2 Apéndice 3 Conversiones Métricas Usuales para las Unidades Comúnmente Usadas en Publicaciones Relacionadas con la Corrosión CP 1 – Cathodic Protection Tester Course Manual © NACE International, 2000 7/2008 CAPÍTULO 3 CONTROL DE 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 CAPÍTULO 3 CONTROL DE 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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 © NACE International, 2000 1/2009 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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 © NACE International, 2000 1/2009 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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 © NACE International, 2000 1/2009 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. 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: Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Sistemas por Corriente Impresa URE UCT R T S CURRENT Power Source - + CURRENT CURRENT 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. La Figura 3.4 muestra una típica instalación por corriente impresa. ANODE Figura 3.4 Típico sistema de protección catódica por Corriente Impresa Ánodos Los materiales que se usan como ánodos de corriente impresa incluyen: Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Control de la Corrosión 3:16 • • • • • • 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 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Control de la Corrosión 3:17 • 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. 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Control de la Corrosión 3:18 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 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, Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Control de la Corrosión 3:19 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. 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Control de la Corrosión 3:20 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: Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control 3:30 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control 3:31 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control 3:32 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control 3:33 “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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control 3:34 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). Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control 3:35 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control 3:36 • 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 –750 mVCSE para 100 < ρ < 1,000 Ω-m –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: Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control • 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 3:37 Underground Corrosion Control 3:38 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control 3:39 -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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control 3:40 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control 3:41 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Underground Corrosion Control 3:43 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 ______________ ______________ ______________ ______________ ______________ ______________ ______________ ______________ ______________ Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 Corriente (mA) Underground Corrosion Control 3:44 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 1/2009 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. Protección Catódica Nivel 1, Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 07/2008 Seguridad 4:2 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 Protección Catódica Nivel 1 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2008 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 Protección Catódica Nivel 1 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2008 4:3 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. Protección Catódica Nivel 1 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2008 4:4 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. Protección Catódica Nivel 1 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2008 4:5 Seguridad 4:6 Figura 5.1 Elemento Grupal tipo Tijera para LOTO Todo el personal de protección catódica debería llevar un kit LOTO consigo mientras están en el campo, si piensan trabajar con rectificadores. Zonas de Riesgo Eléctrico Si existe la posibilidad de que haya una mezcla explosiva de hidrocarburo, la zona se considerará “riesgosa” y el equipamiento eléctrico debe instalarse dentro de una caja de conexiones sellada a prueba de peligros . El técnico de PC debe determinar si está calificado/a para trabajar con equipamiento eléctrico en una zona riesgosa. Antes de exponer el equipamiento eléctrico a una zona riesgosa, éste debe estar apagado, fuera de servicio e identificado para evitar la aparición de un arco, que puede servir de fuente para una ignición. Explosiones o Igniciones Además de las zonas riesgosas, muchas estructuras con protección catódica contienen sustancias potencialmente explosivas o combustibles. En ciertas circunstancias, un sistema de protección catódica puede tener suficiente energía como para encender un material combustible o provocar una explosión. Según las características del circuito, siempre que se separa un conductor que transporta corriente puede producirse una chispa. Por ejemplo, en una tubería protegida catódicamente que conduce la corriente de retorno al Protección Catódica Nivel 1 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2008 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: Protección Catódica Nivel 1 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2008 4:7 Seguridad • Asuma que el potencial a medir puede ser peligroso. Nunca entre en contacto con un circuito antes de determinar que el potencial es seguro. • Si existe la posibilidad de que haya corriente alterna, mida primero la tensión de la misma. • Evite realizar mediciones durante tormentas eléctricas, ya que aún las descargas remotas pueden inducir potenciales peligrosos en las estructuras. • Tenga cuidado al trabajar cerca de líneas de alta tensión o, al medir a través de aislaciones y celdas de polarización, use el método de conexión con una sola mano con cables y conectores de medición aislados. • Tenga en cuenta los posibles riesgos de descargas al operar sistemas de protección catódica en el agua. Tensión Inducida Cuando una estructura o un alambre metálico corren en paralelo a una línea de alta tensión (HVAC), puede encontrarse una tensión significativa. Una tensión peligrosa puede aparecer en una estructura como resultado de la inducción, de corrientes de retorno en la tierra o de corrientes de falla en el circuito de potencia. Si existe la posibilidad de potenciales peligrosos, siempre debe medirse primero la tensión-a-tierra de la estructura. Tenga cuidado de no hacer contacto físico directo con el circuito de medición. Utilice un multímetro para medir el potencial AC entre la estructura y un electrodo de referencia de cobre-sulfato de cobre en contacto con la tierra o cualquier otra resistencia de puesta a tierra de valor bajo. Si se mide una tensión mayor de 15 V, debe considerarse a la estructura como peligrosa, y deben tomarse medidas para reducir el nivel del potencial. Si se determina que la tensión es menor de 15 Vac, no es necesario tomar medidas específicas, si bien siempre debe mantenerse la precaución ya que este voltaje puede cambiar en cualquier momento si cambia la carga que transporta la línea de alta tensión. La Norma NACE SP0177, Mitigation of Alternating Current and Lightning Effects on Metallic Structures and Corrosion Control Systems (Mitigación de Corriente Alterna y Efectos de Descargas Atmosféricas en Estructuras Metálicas y Sistemas de Control de la Corrosión), brinda información muy Protección Catódica Nivel 1 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2008 4:8 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. Protección Catódica Nivel 1 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2008 4:9 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. Protección Catódica Nivel 1 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2008 4:10 Seguridad Productos de Reacción En un sistema de protección catódica en funcionamiento, pueden generarse diversos gases, ya sea en la superficie anódica o en la catódica; entre ellos, oxígeno, gas cloro, dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrógeno. Algunos gases son potencialmente explosivos. El desplazamiento del oxígeno por alguno de los otros gases mencionados puede provocar asfixia. Algunos gases son tóxicos al inhalarlos. Alrededor de los dispersores (camas) profundos puede haber medios con bajo pH (ácidos). Debido a estos problemas, deben evitarse las situaciones en que puedan acumularse los gases generados por un sistema de protección catódica. Otras Precauciones Algunas otras precauciones a tener en cuenta que no se han mencionado más arriba son: • Use anteojos, guantes, zapatos e indumentaria de seguridad. • Evite las llamas abiertas. • Evite provocar chispas eléctricas, especialmente en áreas que puedan contener un hidrocarburo. • Estudie los procedimientos de manipulación/almacenamiento de sustancias químicas y materiales o equipos peligrosos . • Trabajo en altura. • Animales, reptiles e insectos • Vehículos: Conduzca con precaución y tenga en mente los posibles riesgos Protección Catódica Nivel 1 Manual de Enseñanza © NACE International, 2006 7/2008 4:11 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. © NACE International, 2006 7/2008 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. © NACE International, 2006 7/2008 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.” © NACE International, 2006 7/2008 5:3 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 © NACE International, 2006 7/2008 5:4 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. © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:6 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. © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:7 + 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 © NACE International, 2006 7/2008 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). © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:9 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! © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:10 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. © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:11 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). © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:12 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. © NACE International, 2006 7/2008 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 © NACE International, 2006 7/2008 5:13 Mediciones de Campo 5:14 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 © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:15 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. © NACE International, 2006 7/2008 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 © NACE International, 2006 7/2008 5:16 Mediciones de Campo 5:17 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 © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:18 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. © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:19 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. © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:20 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 © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 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 © NACE International, 2006 7/2008 5:21 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 © NACE International, 2006 7/2008 5:22 Mediciones de Campo 5:23 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: © NACE International, 2006 7/2008 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 © NACE International, 2006 7/2008 5:24 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. © NACE International, 2006 7/2008 5:25 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 © NACE International, 2006 7/2008 5:26 Mediciones de Campo 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 © NACE International, 2006 7/2008 5:27 Mediciones de Campo 5:28 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: © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:29 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 © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:30 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. © NACE International, 2006 7/2008 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 © NACE International, 2006 7/2008 5:31 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. © NACE International, 2006 7/2008 5:32 Mediciones de Campo 5:33 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 © NACE International, 2006 7/2008 Mediciones de Campo 5:34 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 © NACE International, 2006 7/2008 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. © NACE International, 2006 7/2008 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 7:2 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) Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 7:3 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 7:4 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 7:5 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”. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 7:6 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:3 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 8:8 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:10 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:12 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:16 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:17 Insulated Connections Hole Depth Based on Soil Resistivity Header Cable Structure Anode Spacing Figura 8.14 Varios Ánodos Pre-empaquetados Verticales Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:18 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:19 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:20 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:21 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica Cable Colector a otros Ánodos o bien hacia el Rectificador 8:25 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica Fuente 8:27 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:29 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 Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:30 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:31 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 Instalación de los Componentes de Sistemas de Protección Catódica 8:32 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. Protección Catódica Nivel I Manual de Enseñanza © NACE International, 2000 7/2008 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 © NACE International, 2006 7/2008 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 2 © NACE International, 2006 7/2008 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 Estructura-Suelo para la Medición de la Aislación 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 corriente se interrumpe tendrá un potencial “on” más negativo que el potencial 3 © NACE International, 2006 7/2008 Resolución de Problemas “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). 4 © NACE International, 2006 7/2008 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 5 © NACE International, 2006 7/2008 Resolución de Problemas 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 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 6 © NACE International, 2006 7/2008 Resolución de Problemas 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, 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). 7 © NACE International, 2006 7/2008 Resolución de Problemas Vc Electrodo de Referencia Ventilación ? + + Vp ? Carrier Pipe Tubería Casing Figura 9.5 Medición de los Potenciales Tubo-Electrolito y CasingElectrolito usando el Electrodo de Referencia en la misma Ubicación Debería haber una diferencia de 100 mV o más entre los potenciales tubosuelo del encamisado y de la tubería; de no ser así, debe realizarse otro ensayo sobre el casing (véase también NACE SP-0200). Ejemplo Se sospecha corto Aislado –0.750 VCSE –0.900 VCSE Casing –0.910 VCSE –0.900 VCSE Tubería 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. Ejemplo Casing Tubo En corto ON –1.56 VCSE –1.56 VCSE OFF –1.00 VCSE –1.00 VCSE Aislado ON –1.00 VCSE –1.56 VCSE OFF –1.00 VCSE –1.00 VCSE 8 © NACE International, 2006 7/2008 Resolución de Problemas 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. 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 9 © NACE International, 2006 7/2008 Resolución de Problemas • • • • 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. 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. 10 © NACE International, 2006 7/2008 Resolución de Problemas 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) 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 11 © NACE International, 2006 7/2008 Resolución de Problemas 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). • 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. 12 © NACE International, 2006 7/2008 Resolución de Problemas • 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, 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. 13 © NACE International, 2006 7/2008 Resolución de Problemas 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 Salta la llave Re staure la tensión ante rior No Corto está en el circuito externo té rmica Sí Sí Salta la Llave Té rmica Corto temporario No 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 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. 14 © NACE International, 2006 7/2008 Resolución de Problemas 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. 15 © NACE International, 2006 7/2008 Appendix App:1 Apéndices Se adjuntan los siguientes documentos para referencia y uso en su trabajo: 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 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 Structures” SP0200 “Steel Cased Pipeline Practices” TM0497 “Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection on Underground or Submerged Metallic Piping Systems” TM0101 “Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection on Underground or Submerged Metallic Storage Tanks” CP 1 – Cathodic Protection Tester Course Manual © NACE International, 2000 07/08 Appendix App:2 Otros Materiales de Referencia Referencia Principal Como dijimos en la Introducción, la principal referencia para este curso es el libro de Peabody Control of Pipeline Corrosion editado por Ronald Bianchetti (NACE International, Houston, 2001). Bibliografía Complementaria Los siguientes libros pueden resultar útiles para la profundización de la información contenida en este curso: Parker, M. & Peattie, E., Pipeline Corrosion and Cathodic Protection, Tercera Edición, Gulf Publishing, 1984. Romanoff, M., Underground Corrosion, Reimpresión de NACE International, 1989. Cathodic Protection of Steel in Concrete, P.M. Chase, Editor, NACE International, Houston, 1998. Practical Corrosion Control Methods for Gas Utility Piping, Segunda Edición, NACE International, Houston 1995. Otras Normas Australia Australian Standards Institute, Standard 2832 Parte 1 Parte 2 Parte 3 Pipe, Cables and Ducts Compact Buried Structures Fixed Immersed Structures CP 1 – Cathodic Protection Tester Course Manual © NACE International, 2000 07/08 Appendix App:3 Inglaterra British Standards Institute Standard BS 7361, Parte 1, “Cathodic Protection: Code of Practice for Land and Marine Applications”. Standard BS 5495 “Code of Practice for Protective Coating of Iron and Steel Structures Against Corrosion” Standard BS 6651 “Protection of Structures Against Lightning” Canadá Canadian Standards Association Standard Z662, “Oil and gas Pipeline Systems.” Standard Z169, “Cathodic Protection of Aluminum.” Recommended Practice OCC-1 de la Canadian Gas Association, “For the Control of Corrosion on Buried or Submerged Metallic Piping Systems.” Alemania Standard DIN 30676, “Cathodic Protection.” Japón Overseas Coastal Area development Institute of Japan, “Corrosion Protection and Repair Manual for Port and Harbor Steel Structures . Japanese Port Authority Association, “Harbor Facility Technology Criteria and Discussion, Part 1.” Japanese Water Piping Association, WSP-050, “Cathodic Protection Manual for Coated Steel Water Pipe.” CP 1 – Cathodic Protection Tester Course Manual © NACE International, 2000 07/08 Appendix App:4 Noruega Det Norske Veritas Norge AS (DNV), Recommended Practice RP B401, “Cathodic Protection Design” . Norske Standard Common Requirements Cathodic Protection, M-CR-503 Omán Petroleum Development of Oman Standard PDO-65-12 Arabia Saudita Saudi Aramco Engineering Standards, SAES-X-400. Estados Unidos American Water Works Association (AWWA) Standard D104 “Automatically Controlled, Impressed Current Cathodic Protection for the Interior of Steel Water Tanks.” American Petroleum Institute (API) Recommended Practice 651, “Cathodic Protection of Above Ground Petroleum Storage Tanks. Recommended Practice 1632, “Cathodic Protection of Underground Petroleum Storage Tanks and Piping Systems.” U.S. Government, Code of Federal Regulations (CFR) 49CFR Part 192, Subpart I 49CFR Part 193, Subpart G 49CFR Part 195, Subpart D 40CFR Part 280 Natural Gas Pipelines Liquefied Natural Gas Hazardous Liquid Pipelines Underground Storage Tanks CP 1 – Cathodic Protection Tester Course Manual © NACE International, 2000 07/08 CP 1–CATHODIC PROTECTION TESTER – REFERNCIAS PARA EL EXAMEN PRÁCTICO 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 1 pulgada 1 pie = 100 cm = 1000 mm = 2.54 cm = 30.48 cm © NACE International, 2000 7/2008 RESISTIVIDAD ρ=RxA L R = ρL A donde ρ, Resistividad en ohm-cm R, Resistencia in ohmios A, Superficie Transversal en cm2 L, Longitud en cm Método de Wenner ρ=2πaR donde ρ, resistividad en ohm-cm a, separación entre puntas (cm) R, resistencia medida (ohmios) ρ, resistividad (ohm-cm) O ρ=191.5aR donde ρ, resistividad en ohm-cm a, separación entre puntas (pies) R, resistencia medida (ohmios) ρ, resistividad (ohm-cm) LEY DE OHM E = IR I=E/R R=E/I POTENCIA P = EI P = I2R CIRCUITO SERIE CIRCUITO PARALELO ET = V1 + V2 + V3 ET = V1 = V2 = V3 IT = I1 = I2 = I3 IT = I1 + I2 + I3 RT = R1 + R2 + R3 RT = 1 1 1 1 + + R1 R2 R3 CP TESTER – EXAMEN PRÁCTICO – REFERENCIAS PÁGINA 2 K = I / ΔE = I / E con la corriente aplicada – E sin la corriente aplicada SUPERFICIE DELCÍRCULO Superficie del círculo = Calcular el flujo de corriente multiplicando el factor de calibración por la caída de potencial medida. π· x R2 π = 3.14 I (amps)= K (amps/mV) x caída en mV SUPERFICIE DE UN CILINDRO RESISTENCIA DE TUBOS DE ACERO *(A)(B) Superficie de un cilindro = π x D x L Tamaño del Tubo pulg. π = 3.14 LEY DE FARADAY Wt = KIT = kg donde Wt K I T = = = = FACTOR DE CALIBRACIÓN PARA EL ENSAYO DE CORRIENTE EN LA LÍNEA CON 4-CONDUCTORES pérdida de peso, kg equivalente electroquímica, kg/A-año Amperios años VELOCIDAD DE CONSUMO (K) DE ALGUNOS METALES (1) Metal Carbón Aluminio Magnesio Hierro/Acero Hierro Alto Silicio/Cromo Níquel Cobre (Monovalente) Zinc Estaño Plomo Kg/A-año 1.3 3.0 4.0 9.1 0.5 9.6 20.8 10.7 19.4 33.9 Lb/A-año 2.86 6.5 8.8 20.1 1.0 21.2 45.8 23.6 42.8 74.7 VALORES RELATIVOS DE ELECTRODOS DE REFERENCIA COMUNES CON RESPECTO AL ELECTRODO DE COBRE-SULFATO DE COBRE Electrodo (Hemi-Celda) * Potencial (Voltios) Cobre-Sulfato de Cobre 0.000 Calomelanos Saturados –0.070 Plata-Cloruro de Plata (saturado) –0.050 Zinc –1.100 © NACE International, 2000 7/2008 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Diámetro Externo (B) Peso pulg. cm pulg. cm libras/p ie 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 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 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 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 *Conversiones: (A) Espesor de Pared kg / 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 Resistencia μohmios μohmios/ /pie m 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 9.25 8.60 8.01 7.48 7.05 6.66 1 pulgada. = 2.54 cm 1 pie = 0.3048 m En base a una densidad del acero de 489 libras/pie3 (7832 kg/m3) y una resistividad del acero de 18 microhm-cm. R = 16.061 x resistividad en microhm-cm = Resistencia de 1 pie de Peso por pie de tubo, microhmios CP TESTER – EXAMEN PRÁCTICO – REFERENCIAS PÁGINA 3 Tipos y Valores de Shunts Características del Shunt Valor Factor 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 .0033 .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 0.00067 1.5 SW 100 50 .0005 2 5 50 .01 .1 Tipo Holloway Tipo J.B. Agra-Mesa Cott o MCM © NACE International, 2000 7/2008 Rojo (MCM) 2 200 .1 .01 Rojo (Cott) .5 50 .1 .01 Amarillo (MCM) 8 80 .01 .1 Naranja (MCM) 25 25 .001 1 CP TESTER – EXAMEN PRÁCTICO – REFERENCIAS PÁGINA 4 © NACE International, 2000 7/2008 CP TESTER – EXAMEN PRÁCTICO – REFERENCIAS PÁGINA 5 CÓDIGO DE COLORES DE RESISTENCIAS A B C D Tolerancia Multiplicador Primera Banda Significativa. Si es del doble de ancho, la resist. es bobinada. Segunda Banda Significativa Valores Banda A Negra Marrón Roja Naranja Amarilla Verde Azul Púrpura Gris Blanca 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Banda B Negra Marrón Roja Naranja Amarilla Verde Azul Púrpura Gris Blanca Banda C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Negra Marrón Roja Naranja Amarilla Verde Azul 1 10 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000 Plateada Dorada Banda D Plateada ± 10% Dorada ± 5% 0.01 0.1 Ejemplo A = Roja = 2 C = Naranja = 1,000 B = Azul = 6 D = Plateada = ± 10% Valor de la Resistencia = 26,000 Ω ± 10%, es decir, entre 23,400 Ω y 28,600 Ω. © NACE International, 2000 7/2008
