VINCULACIÓN TECNOLÓGICA

 

Sistema de protección catódica por corriente galvanica para tuberías transportadoras de gas natural, red primaria (diseño y cálculo de una estación experimental de observación)

 

 

M. Callisaya T.*, N. Mamani V.**
(*) Licenciada en Química Industrial, Docente Carrera de Química Industrial Facultad de Tecnología - UMSA.
(**) MSc. Ingeniero Electricista, Docente Carrera de Electrónica Facultad de Ingeniería, Docente Carreras de Electromecánica y Electricidad Facultad de Tecnología - UMSA.
Article history: Received 30 april 2014. Style revision 02 may 2014. Accepted 09 may 2014

 

 

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Resumen

Para el transporte de gas natural se utilizan tuberías de acero negro bajo tierra y uno de los mayores problemas que se presenta es la corrosión que sufre el hierro por efecto principalmente de la humedad y salinidad de los suelos.

En las aleaciones hierro-carbono (denominados aceros comunes), la estructura presenta agregados policristalinos geométricamente diferentes y energéticamente no homogéneos, que manifiestan zonas con tendencias anódicas espontáneas y otras zonas catódicas menos reactivas. Frente a la imposibilidad de caracterizar con exactitud las zonas activas. Se han establecido métodos de protección anticorrosiva del acero negro que consiste en aplicar aceites selladores en el forjado exterior de tuberías para transportar fluidos no polares y no corrosibles. No obstante, para asegurar la vida útil de las tuberías respecto a la oxidación superficial, un procedimiento electroquímico aplicable es la protección catódica que puede ser por corriente galvánica y por corriente impresa.

En el presente artículo, se considera la protección catódica por corriente galvánica, fundamentando su aplicación y metodología de implementación a través de una estación de observación para tubería de distribución primaria de gas natural GN, siguiendo las normativas de protección vigente.

Demostrando así, que este procedimiento tecnológico de refuerzo contra la corrosión localizada del acero negro, comprende el estudio de las propiedades eléctricas de los suelos con el estudio de las celdas galvánicas para el cálculo y diseño de sistemas y su implementación práctica.

Palabras claves: Protección catódica por corriente galvánica, celdas galvánicas conductividad y resistividad de los suelos, acero negro, ánodo de sacrificio.

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Abstract

To transport natural gas black steel pipes are used underground and one of the biggest problems that arises is suffering corrosion effect mainly iron from moisture and soil salinity.

In the iron-carbon alloys (called common steels), the structure has different polycrystalline geometrically and energetically inhomogeneous, with areas that show trends and other spontaneous anode cathodic areas less reactive aggregates. Given the impossibility of accurately characterize hotspots. Methods are set corrosion protection of black steel which comprises applying sealants forged oils outside piping to transport non-polar and non-corrosive fluids. However, to ensure the lifetime of the pipes with respect to surface oxidation, a procedure is applicable electrochemical cathodic protection may be by galvanic current and impressed current.

In this paper, we consider the galvanic current cathodic protection, basing its application and implementation methodology through an observation station for pipeline distribution primary of natural gas primary GN, following the regulations in force protection.

Thus showing that this technological process reinforcement localized corrosion of black steel, includes the study of the electrical properties of soils in the study of galvanic cells for the calculation and design of systems and their practical implementation.

Keywords: Protection by galvanic cathodic current, galvanic cells, resistivity and conductivity for soils, black steel, sacrificial anode.

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Resumo

Para o transporte de gás natural são utilizados tubos de aço preto no subsolo e um dos maiores problemas que se coloca é que ferro sofre efeito de corrosão, principalmente por umidade e salinidade do solo. Nas ligas de ferro-carbono (chamados aços comuns), tem estrutura poli cristalina geometricamente diferente e energicamente heterogênea, com áreas que mostram tendências anódicas espontâneas e outras áreas catódicas menos reativas. Dado a impossibilidade de caracterizar com precisão essas zonas activas. Métodos são definidos proteção contra a corrosão de aço preto, que compreende a aplicação de secantes de óleos forjados fora tubulações para o transporte de fluidos não polares e não corrosivos. No entanto, para garantir a vida útil dos tubos em relação à superfície da oxidação, um processo é a proteção catódica eletroquímica aplicável pode ser por corrente e impressionado galvânica.

Neste trabalho, consideramos a proteção catódica corrente galvânica, baseando a sua aplicação e metodologia de por meio de uma estação de observação para distribuição por conduta de gás natural GN principal, seguindo as normas em proteção da força. Assim, demonstrando que este processo tecnológico reforço corrosão localizada do aço preto, inclui o estudo de propriedades elétricas de solos no estudo de células galvânicas de cálculo e projeto de sistemas e sua aplicação prática.

Palavras-chave: Proteção catódica por corrente galvânica, células galvânicas, condutividade e resistividade de solos, aço preto, ânodo sacrifical.

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INTRODUCCIÓN

Las líneas de transporte de Gas Natural GN, iniciándose en los lugares de extracción y terminando en los centros de consumo, utilizan tuberías superficiales y/o enterradas de alta y baja presión.

En el caso de nuestra ciudad, el gas natural llega a la estación de distribución (Senkata, distrito 8 ciudad de El Alto - La Paz) por tubería de alta presión (> a 67 bares), posteriormente el gas natural pasa a la red primaria a través de tuberías enterradas de acero negro a (20 bares).

Red que alimenta puestos de alto consumo energético, por ejemplo: estaciones de servicio que comercializan el gas natural vehicular, quemadores de las ladrilleras de Alpacoma, los calderos a gas natural de la piscina Olímpica de Alto Obrajes, etc...

Las tuberías de acero negro que conforman las redes primarias de distribución GN, por normativas de seguridad frente a un desgaste corrosivo exterior deben ser protegidas, desde la acometida de red hasta el punto de uso. Implementando como recurso electroquímico tecnológico, el resguardo catódico, ya sea por corriente galvánica o por corriente impresa.

En el presente artículo se describe la metodología de resguardo o protección catódica por corriente galvánica destinada a tuberías enterradas transportadoras de gas natural GN (red primaria), considerando el diseño y cálculo de una estación experimental de observación.

 

DESARROLLO

Conformado de acero negro en tuberías

Este tipo de acero se utiliza en el proceso de fabricación de tuberías que se caracterizan por una capa de óxido negro en la superficie. La protección anticorrosiva solo considera el proceso de sellado con aceites superficiales protectores.

Tubos fabricados con acero laminado en caliente según norma internacional ASTM A53/A53M, estableciendo el contenido de Carbono para dos tipos de tubería: grado A 0,25% y grado B 0,30 % como límites máximos. Por su composición variable de carbono ofrece diferentes diámetros, durezas y calidades de tubería para el transporte de fluidos no polares y no corrosibles. Por oxidación o ataque fisicoquímico de oxígeno, agua y humedad de los suelos las superficies exteriores pueden ser afectadas por la corrosión in situ (formación de óxidos de hierro), si estas superficies, no se protegen electroquímica o químicamente.

Sistema de protección catódica por corriente galvánica para tuberías

La protección catódica por corriente galvánica para tuberías, es un fenómeno electroquímico que se manifiesta al conectar la superficie externa de la tubería (cátodo), con un par más activo (ánodo de sacrificio) que se oxida, en vez de la superficie exterior de la tubería de acero.

En la figura 1, se muestra un esquema del sistema en condiciones de humedad del suelo [conexión cátodo (tubería) con el ánodo de sacrificio].

Resistividad del suelo

La resistividad del suelo es el parámetro más importante en una instalación de tubería metálica enterrada, como electrolito (humedad), servirá para hacer fluir la corriente catódica. Para su medida es necesario disponer de cuatro electrodos equidistantes enterrados en el suelo. La configuración de F. Wenner se indica en la figura 2.

Disponiendo de un instrumento medidor a tierra de cuatro terminales se puede obtener la resistividad aparente. Palmer desarrolló la siguiente fórmula, para determinar la resistividad aparente.

La resistividad del suelo varía con la humedad, la temperatura, la estratificación geológica, composición química del suelo, además horizontal y verticalmente. Una fórmula aproximada, cuando b << a, se tiene:

La tabla 1, establece la relación de la resistividad con el grado de corrosividad, que se usa para clasificar los suelos.

Registro de resistividades

En la tabla 2, se muestra las mediciones de resistividad a lo largo de la tubería de observación, para dos profundidades de medición.

De acuerdo con las medidas de resistividad registradas a través de la tubería, dos sitios son seleccionados para la instalación de las camas anódicas galvánicas.

Diseño del Sistema de protección catódica

Criterios de trabajo:

•      Condiciones estáticas se define en 8 mA/m².

•      Área desnuda: La tubería se acostumbra recubrir con protección anticorrosiva y mecánica y el deterioro normal del revestimiento con los años, se trabaja con un área desnuda igual a 1,2 % del total de la superficie.

•      La vida útil, calculada en 10 años. Las camas anódicas se instalan a menos de 2 metros de distancia.

•      Uso de ánodos de magnesio de 4,5 libras (Backfill), preempacados en relleno de 75% de Yeso, 20 % de Bentonita y 5% de Sulfato de Sodio.

•      La soldadura para unir al tubo es de tipo Cadwell. El cable usado AWGN°12 es de tipo HMWPEde alto peso molecular.

Área a proteger:

Para una tubería de 2 pulgadas de diámetro (D) y 3000 m de longitud (L), se tiene:

Cálculo de la corriente requerida:

Con la densidad de corriente:

Ánodo de sacrifico, masa de magnesio metálico

La oxidación anódica del magnesio se expresa de acuerdo con la ecuación química:

Al reaccionar químicamente N_A átomos de magnesio se tiene:

Por lo tanto Vi átomo gramo de magnesio (12,16 g) teóricamente producen (26,80 A.h). Parámetro aplicable también a otros ánodos (Zn, Al). La tabla 3, proporciona las propiedades electroquímicas de los metales más utilizados como ánodos de sacrificio.

En la tabla 4, se reportan los valores de capacidad de corriente teórica y los valores prácticos para ánodos de Zn, Al, Mg.

A partir de estos valores y su relación con la intensidad de corriente requerida (Cálculo área a proteger), se determina la masa efectiva para el ánodo de sacrificio. En el caso presente, siendo el ánodo elegido de magnesio se tiene que:

La comercialización de ánodos tipo Backfill, ofrece ánodos de magnesio de 4,5 lb, preempacados en relleno de 75% de Yeso, 20 % de Bentonita y 5% de Sulfato de Sodio.

Por lo tanto el número de ánodos requeridos será de: 7,92/4,5 = 1,76 ~ 2, entonces el número de ánodos requerido es de dos.

Resistencia puesta a tierra

La resistencia de puesta a tierra de un ánodo en un suelo está dada por la siguiente expresión aproximada:

Para una longitud de ánodo de 85cm y diámetros del ánodo de 16 cm, se tiene:

Despreciando la resistencia de la tubería, la polarización de las dos camas es de -0,85 V, entonces la corriente del ánodo será de:

Instalación

Implantación de ánodos tipo Backfill, figura 3.

La figura 4, muestra la soldadura del cable N° 12 AWG a la tubería aplicando soldadura exotérmica.

La estación de prueba (figura 5) construida en hormigón armado con una caja y tapa de aluminio fundido, alojando en ella una baquelita o fibra fenolítica donde se realizan las medidas de observación está enterrada con una base de concreto, dejando un metro de altura libre, finalmente se pinta de amarillo (normativa de seguridad).

La corrosión superficial no homogénea

Las aleaciones entre Hierro (% mayoritario) y Carbono (0,03% a 1,76%) denominadas con el término "acero", presentan propiedades mecánicas que proporcionan dureza y principalmente forjabilidad, sin embargo, presentan limitaciones químicas frente al oxígeno, agua y humedad de los suelos (corrosión).

La corrosión es el principal factor del deterioro de los aceros comunes, debido a que el hierro se oxida fácilmente provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación en algunos casos hasta consumir por completo el objeto acerado. Para conservar los aceros, existen tratamiento químicos protectores de las superficies externas (galvanizado, recubrimientos poliméricos, pinturas, etc.).

Con referencia a los aceros utilizados para el conformado de tubería de transporte de fluidos no polares y no corrosibles, en la tabla 5 se proporcionan los contenidos porcentuales en elementos menores incluido el Carbono.

La composición química reportada en la tabla 5, permite considerar que este acero negro conformado en tubería de transporte fluido, tiene un contenido principalmente de Carbono y otros elementos que presentan diferentes reactividades superficiales químicamente no homogéneas.

La electroquímica, cuando aborda el tema de la corrosión metálica, lo hace desde la perspectiva de mayor estudio, correspondiente a superficies químicamente homogéneas Sistema -metales puros, conectores y medio acuoso-.

En consecuencia, para describir la corrosión en este tipo de acero constituido por aleaciones policristalinas¹ energéticamente no homogéneas situadas entre el medio atmosférico (acción del oxígeno y vapor de agua) o entre el interior de la biosfera (acción de la humedad del suelo y/o microbiana). Es necesario considerar que estas superficies policristalinas presentan conformados granulares diferentes que de acuerdo con el proceso de fabricación y composición química se comportan como electrodos fácilmente oxidables ánodos o electrodos fácilmente reducibles cátodos.

Originando en las tuberías enterradas un flujo de electrones a través del medio húmedo (suelo como conductor) y las zonas anódicas, produciendo la corrosión localizada galvánica y su efecto de oxidación (polvo pardo), que también favorece la aparente pasividad de las zonas catódicas. En la figura 6, se representa las zonas de los conjunto granulares en aleaciones policristalinas.

En la interfase metal suelo se origina una fuerza electromotriz Fem, o potencial de referencia y cuando la corriente fluye, la Fem cambia de manera que esta interrelación tubería (acero) - suelo puede representarse por un circuito de resistencias R_C, R_A, y de Fuerzas electromotrices Fem C, Fem A en serie, que varían de acuerdo con la corriente I del flujo electrónico superficie anódica del acero - suelo - superficie catódica. Figura 7

Las tuberías dispuestas bajo tierra, se encuentran en contacto con un medio húmedo electrolítico similar al que se presenta en las pilas secas para producir los efectos anódicos y catódicos que proporcionan energía química (pila seca).

En consecuencia, el suelo manifiesta comportamientos particulares de resistividad-conductividad respecto: a cada tubería enterrada y al tendido de las líneas de red, al efecto de los cuerpos de agua cercanos, a las instalaciones enterradas, a las bases de edificaciones, a las tomas de alta tensión, a las filtraciones de aguas subterráneas, a otras tuberías etc..

Si bien las tuberías de acero negro se impregnan con aceites selladores anticorrosivos, este tratamiento, puede ser exiguo para frenar la corrosión in situ, necesitándose entonces, aplicar protección galvánica por corriente catódica incorporando un electrodo adicional (ánodo de sacrificio). Mostrándose esta nueva disposición y su efecto en el circuito representativo tubería (acero) - suelo -ánodo en la figura 8.

La reacción electroquímica del ánodo de sacrificio, corresponde a:

En las zonas anódicas la reacción más representativa es:

El flujo de electrones excedentes producidos en la oxidación del ánodo de sacrificio, es transportado hacia la tubería (cátodo) llegando a las zonas anódicas, cambiando la dirección o inhibiendo la reacción anódica del acero.

Efecto que caracteriza el nombre de este procedimiento al referirse a la protección catódica por corriente galvánica que asegura en las tuberías de acero negro un alto grado de vida útil con relación a la masa efectiva del ánodo de sacrificio. El sistema bajo esta condiciones es una celda galvánica² , que sirve para medir potenciales y monitorear la estación experimental de observación.

 

CONCLUSIONES

•     Este procedimiento tecnológico de refuerzo contra la corrosión localizada del acero negro, conjunciona el estudio de las propiedades eléctricas de los suelos con el estudio de las celdas galvánicas para el cálculo y diseño de sistemas y su implementación práctica.

•     Al margen de las consideraciones realizadas en este tipo de protección, se debe tomar en cuenta el mantenimiento de las estaciones de prueba con inspecciones periódicas y medidas de los potencias electroquímicos con voltímetros de alta sensibilidad, el positivo a la estación de prueba, que está conectado al ánodo, el negativo a una celda de referencia portátil de cobre-sulfato de cobre, luego entre el tubo y el electrodo de referencia.

• El problema de la corrosión es latente en todo tipo de estructuras metálicas enterradas, la protección catódica por corriente galvánica es una alternativa que puede aumentar la vida útil de estas estructuras.

 

NOTAS

¹ Conjunto de cristalitas o granos agregados de forma desigual que hacen de la superficie un conjunto de planos cristalográficos con diferentes orientaciones. Aspecto que físicamente hace que la superficie sea energéticamente no homogénea.

² Dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica continua.

 

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