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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES

SELECCIÓN Y DISEÑO DE SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA TUBERÍAS ENTERRADAS EN EL CENTRO OPERACIONAL BARE. EL TIGRE, EDO. ANZOÁTEGUI.

Por: Marlyn Carolina Rosas Brito

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Materiales

Sartenejas, Marzo de 2012

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES

SELECCIÓN Y DISEÑO DE SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA TUBERAS ENTERRADAS EN EL CENTRO OPERACIONAL BARE. EL TIGRE, EDO. ANZOÁTEGUI

Por: Marlyn Carolina Rosas Brito

Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Prof. Gladys Navas Tutor Industrial: Ing. Alexis Tablero

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Materiales

Sartenejas, Marzo de 2012

RESUMEN En el siguiente documento se describen las bases y los criterios de diseño utilizados para realizar la ingeniería básica de un sistema de protección catódica (SPC) a instalar a la línea de flujo principal de entrada de crudo al Centro Operacional Bare, de salida de diluente hacia el campo de producción y de inyección de aguas de proceso, de diámetros 36, 16 y 8 pulgadas respectivamente, ubicadas en el corredor principal de tuberías al norte, oeste y sur del Centro Operacional Bare (COB) de PDVSA-PETROPIAR, ubicado en la Faja Petrolífera del Orinoco, Bloque Ayacucho, Campo Huyaparí, del Municipio Francisco de Miranda del Edo. Anzoátegui. Para el diseño y la selección del mejor método de protección fue necesario determinar los siguientes parámetros: resistividad del suelo, potencial eléctrico de las tuberías, densidad de corriente de protección, vida útil del sistema de protección, tipo de revestimiento de las tuberías, condiciones de operación, condiciones en las que se encontraba el suelo, los perfiles de las líneas y los perfiles topográficos. La resistividad del suelo fue medida utilizando el método Wenner y se obtuvo que las resistividades varían entre los 12.000ohm.cm a 600.000 ohm.cm aproximadamente. Los potenciales naturales tubo-suelo se determinaron mediante un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre obteniéndose que, estos oscilaban entre -100 y 700 mV en cada tubería del corredor. La densidad de corriente se determinó mediante la norma PDVSA HA201 “Criterios de Diseño para Sistemas de Protección Catódica” que establece que para suelos con altas resistividades, la densidad de corriente necesaria es de 0,5ma/m2, con un daño de las tuberías de 4,45% asociado al tiempo que tienen enterradas. Una vez obtenidos todos los parámetros, se procedió a construir una matriz de selección técnico-económica para seleccionar el método más adecuado para la protección catódica por corriente impresa y se obtuvo que el método que obtuvo mayor puntuación fue el método de protección catódica por corriente impresa utilizando ánodos poliméricos continuos.

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ÍNDICE GENERAL RESUMEN .................................................................................................................................... iii ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................................vii ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................................... ix LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIACIONES ............................................................................. x CAPÍTULO I: El PROYECTO ....................................................................................................... 1 1.1 La Empresa ................................................................................................................................ 1 1.2 Introducción ............................................................................................................................... 2 1.3 Estudios Preliminares ................................................................................................................ 3 1.4 Justificación del proyecto .......................................................................................................... 4 1.5 Objetivos.................................................................................................................................... 5 1.5.1 Objetivo General ............................................................................................................................... 5 1.5.2 Objetivos Específicos ....................................................................................................................... 5 CAPÍTULO II: FUNDAMENTOS TEÓRICOS ............................................................................. 7 2.1 Definición de Corrosión ............................................................................................................ 7 2.2 Corrosión de tuberías enterradas ............................................................................................... 7 2.3 Reacciones de corrosión en contacto con el suelo ..................................................................... 8 2.4 Características del suelo como medio agresivo ......................................................................... 8 2.5 Método para determinar la resistividad del suelo ...................................................................... 9 2.6 Influencia del pH y contenidos de sales en las características del suelo ................................. 10 2.7 Definición de Protección Catódica (PC) ................................................................................. 12 2.8 Tipos de Protección Catódica .................................................................................................. 13 2.8.1 Sistemas de protección catódica por ánodos de sacrificio......................................................... 13 2.8.2 Sistemas de protección catódica por corriente impresa ............................................................. 14 2.9 Tipos de ánodos para corriente impresa .................................................................................. 16 2.10 Criterios para la protección catódica ..................................................................................... 19 2.11 Diseño de sistemas de protección catódica ........................................................................... 20 CAPÍTULO III: PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ............................................................ 22 3.1. Evaluación de las condiciones actuales del sistema de tuberías ............................................. 22 3.2. Definición de los parámetros de diseño del sistema de protección catódica .......................... 23 Requerimientos de corriente ................................................................................................................... 25 iv

3.3. Selección del SPC................................................................................................................... 25 3.4. Diseño del SPC ....................................................................................................................... 27 CAPÍTULO IV: RESULTADOS Y ANÁLISIS ........................................................................... 29 3.1 EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES ACTUALES DEL SISTEMA DE TUBERÍAS. 29 3.1.1. Caracterización del sistema de tuberías. ..................................................................................... 29 3.1.1.1 Data mecánica. ............................................................................................................................. 29 3.1.1.2. Data de procesos. ........................................................................................................................ 30 3.1.1.3. Perfiles de las líneas y perfiles topográficos ........................................................................... 30 3.1.2. Características del Suelo. .............................................................................................................. 32 3.2 DEFINICION DE PARÁMETROS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA .................................................................................................................................. 33 3.2.1 Resistividad del Suelo .................................................................................................................... 33 3.2.2 Potenciales tubo- suelo.................................................................................................................. 34 3.2.3 Requerimientos de corriente .......................................................................................................... 35 3.2.4 Vida útil del sistema. ...................................................................................................................... 35 3.2.4 Revestimiento externo de las tuberías. ......................................................................................... 36 3.3 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA .......................................... 36 3.3.1 Evaluación de parámetros .............................................................................................................. 36 3.3.2Ventajas y desventajas .................................................................................................................... 37 3.3.3 Matriz de Evaluación ..................................................................................................................... 38 3.4 DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO POLIMÉRICO CONTINUO .................................................................................................................................. 38 3.4.1 Selección y ubicación de los rectificadores ................................................................................. 38 3.4.2 Instalación del ánodo continuo flexible ....................................................................................... 39 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 41 RECOMENDACIONES ............................................................................................................... 42 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 43 ANEXOS ....................................................................................................................................... 45 APÉNDICES ................................................................................................................................. 58 Apéndice 1. Mediciones de Resistividad....................................................................................... 58 Apéndice 2. Mediciones de Potencial Eléctrico de las Tuberías ................................................... 59

v

2.1 Preparación del electrodo o celda de referencia de cobre-sulfato de cobre para medición de potencial eléctrico de la tubería: ............................................................................................................. 59 2.2 Medición del potencial eléctrico de la tubería .............................................................................. 59 Apéndice 3. Medición de pH del suelo y presencia de cloruros y sulfatos. ................................. 60 Apéndice 4. Memoria de Cálculo para Diseño de Sistema de Protección Catódica. .................... 60 3.1. Determinación de la corriente requerida ................................................................................ 60 3.1.1. Cálculo de la superficie total (A) en m2: .................................................................................... 60 3.1.2. Cálculo del área desnuda (AB) en m2: ......................................................................................... 61 3.1.3.Corriente de protección catódica requerida (io) por metro lineal de tubería .......................... 61 3.2. Diseño del circuito .................................................................................................................. 62 3.2.1. Cálculo del número de ánodos requeridos: ............................................................................... 62 3.3. Cálculo del rectificador .......................................................................................................... 62 3.3.1. Cálculo de la resistencia tubería- tierra (Rtt) en ohm (@Resistividad media): ..................... 62 3.3.1.1. Factor de Resistividad (Fr) en ohm (@resistividad media): ............................................... 62 3.3.1.2.Factor geométrico (Fg): ............................................................................................................. 63 3.3.1.3. Factor Logarítmico (Fln): ......................................................................................................... 63 3.3.2. Resistencia ánodo – tierra (Rat) en ohm (@resistividad media): ............................................ 63 3.3.2.1. Factor geométrico (Fg2) ........................................................................................................... 64 3.3.2.2. Factor logarítmico (Fln2) ......................................................................................................... 64 3.3.3. Resistencia de los cables (Rc) en ohm ........................................................................................ 64 3.3.4. Resistencia del circuito en ohm (@resistividad media): .......................................................... 65 3.3.5. Corriente requerida (I) en A (@resistividad mínima): ............................................................. 65 3.3.6. Tensión requerida por el circuito (V) en voltios........................................................................ 65 3.3.7. Demanda total de corriente y voltaje del rectificador ............................................................... 66 3.3.7.1. Corriente + 50% (@resistividad minima): .............................................................................. 66 3.3.7.2. Voltaje + 25% (@resistividad media): .................................................................................... 66 Apéndice 5. Densidades de corriente requeridas para protección catódica de acero (18). .............. 67 Apéndice 6. Tabla de valores de eficiencia del revestimiento que deben ser considerados para determinar la superficie total a proteger. ....................................................................................... 68 Apéndice 7. Determinación de la agresividad del terreno (20). ...................................................... 69 Apéndice 8. Cotización ánodo polimérico .................................................................................... 70 Apéndice 9. Cotización Lecho de ánodos hecho por la empresa Otepi ........................................ 71 vi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. 1. Distribución actual de la faja petrolífera del Orinoco y ubicación del Centro Operacional Bare (1)………………………………………………………………………………..1 Figura 2. 1Método Wenner (4)…………………………………………………………………….10 Figura 2. 2. Diagrama general de Pourbaix del Hierro (8)………………………………………...12 Figura 2. 3.Protección Catódica con ánodos de Sacrificio (9)…………………………………….14 Figura 2. 4.Sistema de protección catódica por ánodos de corriente impresa de una tubería enterrada (9)……………………………………………………………………………………….15 Figura 2. 5. Elementos básicos de un ánodo polimérico (11)……………………………………...18 Figura 2. 6. Potenciales de protección del APC y de los lechos de ánodos (11)…………………..19 Figura 3. 1. Esquema metodológico para la selección y diseño de un sistema de protección catódica por corriente impresa……………………………………………………………………22 Figura 3. 2. Procedimiento para medir la resistividad del suelo mediante el método Wenner. Los círculos representan los cuatro pines enterrados…………………………………………………24 Figura 3. 3. Medición de potenciales en campo………………………………………………….25 Figura 4. 1. Fotografías representativas de las líneas en estudio. a) Tubería de crudo de 36 pulgadas y tubería de agua de procesos de 8 pulgadas. Inicio del corredor. b) Tubería de diluente de 16pulgadas y tubería de crudo de 36 pulgadas. Estación de válvulas B. c) Tubería de agua de procesos. Pozo de inyección de agua. d) Línea de agua de procesos de 8 pulgadas……………..31 Figura 4. 2. Fotografías del tipo de suelo. En la figura a) se muestra un tipo de suelo arcilloso muy seco y en la b) un tipo de suelo arenoso…………………………………………………….32 Figura 4. 3. Representación gráfica de los valores de resistividad……………………………….34 Anexo 1. Plano general del corredor principal de tuberías……………………………………….46 Anexo 2. Plano de la región norte correspondiente al tramo 1 del corredor de tuberías………....47 Anexo 3. Plano de la región sur correspondiente al tramo 1 del corredor de tuberías…………...48 vii

Anexo 4. Plano de la continuación de la región sur correspondiente al tramo 1 del corredor de tuberías……………………………………………………………………………………………49 Anexo 5.Plano de la región oeste correspondiente al tramo 2 del corredor de tuberías………….50 Anexo 6. Plano de la continuación de la región oeste correspondiente al tramo 2 del corredor de tuberías……………………………………………………………………………………………51 Anexo 7. Plano de la región este correspondiente al tramo 3 del corredor de tuberías……..........52 Anexo 8. Plano de la estación de válvulas junction B, correspondiente al Tramo 3……………..53 Anexo 9. Plano de la continuación de la región este correspondiente al tramo 3 del corredor de tuberías……………………………………………………………………………………………54 Anexo 10. Ubicación de las unidades rectificadoras a lo largo del corredor principal…………..55 Anexo 11. Equipos para protección catódica…………………………………………………….56 Anexo 12.Ubicación del ánodo polimérico continuo en el tramo uno (1)………………………..56 Anexo 13. Ubicación del ánodo polimérico continuo en el tramo dos (2)……………………….57 Anexo 14. Ubicación del ánodo polimérico continuo en el tramo tres (3)……………………….57

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viii

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Clasificación de los suelos con respecto a su agresividad en función a la resistividad que poseen…………………………………………………………………………………………9 Tabla 3.1. División seleccionada del corredor principal………………………………………...23 Tabla 4.1. Data mecánica de las líneas de crudo, diluente y agua del corredor principal tuberías……………………………………………………………………………………………29 Tabla 4.2. Data de procesos de las líneas de crudo, diluente y agua del corredor principal……..30 Tabla 4.3. Características del suelo………………………………………………………………31 Tabla 4.4. Valores de Resistividad obtenidos mediante el método Wenner……………………..33 Tabla 4.5. Valores de potencial tubería/suelo obtenidos mediante un electrodo de referencia cobre/sulfato de cobre…………………………………………………………………………….35 Tabla 4.6. Evaluación de los parámetros de selección para cada método………………………..36 Tabla 4.7. Ventajas y desventajas del método de protección catódica por lecho de ánodos y por ánodo polimérico continuo……………………………………………………………………….37 Tabla 4.8. Matriz de Evaluación Técnico- Económico para selección del método de protección catódica…………………………………………………………………………………………..38 Tabla 4.9. Valores de corriente y tensión de las unidades rectificadoras………………………..39 Tabla 4.10. Longitudes de los APC asociados a cada rectificador………………………………40

ix

LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIACIONES

APC

Ánodo Polimérico Continuo

C.O.B

Centro Operacional Bare

SPC

Sistema de Protección Catódica

PC

Protección Catódica

PDVSA

Petróleos de Venezuela

NACE

National Association of Corrosion Engineers

pulg

Pulgadas

m

Metro

x

CAPÍTULO I EL PROYECTO 1.1 La Empresa

PDVSA PETROPIAR, es una empresa mixta conformada accionariamente con un 70% de Petróleos de Venezuela, S.A. PDVSA y un 30% de la empresa multinacional CHEVRON. Sus actividades principales se centran en la exploración, explotación, extracción, recolección, producción, transporte, mejoramiento y venta de petróleo. El área de producción abarca aproximadamente 658 km2, y se ubica en el Bloque Ayacucho, Campo Huyaparí de la Faja Petrolífera del Orinoco tal como se observa en la figura 1.1

Figura 1. 2. Distribución actual de la faja petrolífera del Orinoco y ubicación del Centro Operacional Bare (1).

1

En el campo de producción, se disponen de baterías de pozos direccionales, para extraer crudo de formación extra pesado de 8,5o API. Una vez que se tiene el crudo en la superficie (mezcla multifásica de crudo, agua y gas), se le inyecta Nafta de 47°API para diluirla y llevarla a 15,5°API, y así facilitar su transporte hasta el Centro Operacional Bare (COB) donde se lleva a cabo la deshidratación y desgasificación del crudo, procesos que consisten básicamente en la remoción de agua y gas del crudo, para luego bombearlo hasta el mejorador de la empresa, localizado en el Complejo Petroquímico José Antonio Anzoátegui en JOSE ubicado en la zona norte costera del estado Anzoátegui.

1.2 Introducción

El crecimiento poblacional y el desarrollo industrial del país en las últimas décadas, ha requerido de mayores recursos económicos, provenientes en su mayoría de las industrias petroleras, las cuales se han visto en la necesidad de aumentar sus niveles de producción. Esto ha propulsado la construcción e instalación de diferentes tipos de líneas de transporte de crudo, que por factores ambientales, topográficos y de seguridad, han tenido que ser enterradas, siendo necesario que se les instale algún sistema de protección, para evitar su exposición a sufrir daños por corrosión en un futuro. En la industria petrolera, el estudio del proceso de corrosión es de esencial importancia, ya que dicho fenómeno implica el deterioro de la superficie externa de las tuberías, producto del contacto con el medio (el suelo). Este deterioro, en la mayoría de los casos, implica la necesidad de reemplazar largas longitudes de tuberías, para evitar roturas, fugas, pérdidas de producción, daños ambientales, incendios, etc., lo que estriba en tener que hacer gastos económicos considerables. En consecuencia, la industria petrolera ha sido motor en la investigación y comprensión de los aspectos asociados a la corrosión, utilizando enfoques amplios, encabezados por aquellos que han estado dirigidos, en general, a controlar y/o evitar el fenómeno de corrosión externa de las tuberías enterradas. Esto ha conllevado al desarrollo de tecnologías que van desde la utilización de algún revestimiento para evitar el contacto entre la tubería y el suelo (recubrimiento aislante), hasta la 2

instalación de sistemas de protección contra la corrosión. Entre los revestimientos más usados se encuentran las resinas epoxy (líquidas o en polvos), o la utilización de revestimientos con polímeros como el polietileno o el polipropileno. Y entre los sistemas de protección contra la corrosión se encuentran: sistemas con aplicación de corriente directa o la unión de un ánodo de sacrificio para disminuir el potencial del metal y llevarlo a la zona de inmunidad (protección catódica). Sin embargo, la utilización de sólo revestimientos, como método de protección, no posee bondades trascendentales, ya que no es posible lograr que este sea lo suficientemente homogéneo para conseguir un aislamiento perfecto del metal, quedando al descubierto zonas muy pequeñas del material que actúan como ánodos respecto al resto del metal revestido, produciéndose en estas áreas un rápido proceso de corrosión. Es por esta razón que los esfuerzos para controlar este fenómeno, se han concentrado en la segunda técnica mencionada anteriormente, la protección catódica, dado que ofrece la oportunidad de lograr que la totalidad de la superficie metálica se comporte como un cátodo, de modo que el metal no tenga pérdidas de electrones y por lo tanto, sea inmune a la corrosión causada por el contacto con el medio en el cual se encuentran enterradas (el suelo). En función a la relevancia que tiene la consideración de la protección catódica en el diseño de las líneas operacionales en la industria y la importancia de comprender todas las variables involucradas en el proceso de corrosión, nace la presente investigación; la cual tiene como objetivo seleccionar y diseñar un sistema de protección catódica para el corredor de tuberías principal, constituido por las líneas de crudo, diluente y agua de procesos del Centro Operacional Bare (COB). 1.3 Estudios Preliminares A continuación se presenta una sinopsis de dos trabajos que sirvieron de punto de partida para la realización de la presente investigación: 

Evaluación e implementación de la ingeniería básica de sistema de protección

catódica, hecho por la empresa consultora OTEPI en el año 2007. La importancia de este 3

documento es que en él se establecieron los criterios y parámetros para el diseño, a nivel de ingeniería básica para la protección catódica de la superficie externa de las tuberías enterradas del área de producción de PDVSA Petropiar en el Centro Operacional Bare (COB) y las Macollas del campo de producción, mediante la instalación de lechos de ánodos profundos. 

Diseño del sistema de protección catódica del corredor urbano El Tigre: En este

estudio se presenta el diseño de protección catódica por corriente impresa para el corredor urbano El Tigre, conformado por: la línea de 24 pulg de transporte de Crudo Merey desde Leona 13 a PTO (Patio de Tanques Oficina), la línea de 16 pulg de transporte de Diluente desde PTO a COB (Centro Operacional Bare), la línea de 26 pulg para transporte de crudo Merey desde Leona 13 a PTO, las tres pertenecientes a PDVSA Exploración y Producción, y por último la línea de 30pulg de transporte de crudo Diluido desde COB a PTO, perteneciente a Petropiar. Estas líneas de transporte de flujo están ubicadas en el nor-este de la población de El Tigre, estado Anzoátegui. Las líneas antes mencionadas presentan una sección enterrada de aproximadamente 7300 metros y el revestimiento de estas líneas ha presentado problemas y durante los trabajos de evaluación y reparación del revestimiento se ha evidenciado corrosión externa con pérdida de material. En este proyecto se presenta una nueva alternativa para la protección catódica de las tuberías mediante el método de corriente impresa, utilizando ánodos poliméricos continuos marca ANODEFLEX como un método funcional para proteger las tuberías del fenómeno de corrosión.

1.4 Justificación del proyecto

En el C.O.B, el corredor principal de tuberías está conformado por líneas de crudo, diluente y agua, de diámetros iguales a 36, 16 y 8 pulgadas, respectivamente; estas poseen revestimiento epoxy en polvo adherido por fusión. Estas líneas se encuentran enterradas en suelos clasificados entre poco corrosivos a no corrosivos por sus elevadas resistividades (12.000 a 600.000 ohm-cm); sin embargo, según informes obtenidos en el departamento de documentación técnica de la empresa, se determinó que el suelo era de tipo arenoso arcilloso con un pH promedio de 3,5, lo que indica que el suelo es sumamente ácido, así como también se evidenció la presencia de bacterias sulfatoreductoras con un promedio de 17 NMP (número más probable). Lo mencionado 4

anteriormente, plantea la necesidad de colocar un sistema de protección adicional para conservar la integridad de las tuberías del corredor principal y evitar el proceso de corrosión por suelos. Uno de los métodos más utilizados para evitar la corrosión de grandes longitudes de tuberías enterradas es el de protección catódica por corriente impresa, debido a que reduce el potencial eléctrico de la estructura metálica, convirtiendo la superficie del mismo en un cátodo, y eliminando la pérdida de electrones, hechos que minimizan o suprimen el proceso de corrosión, ya que bajo estas condiciones, el metal se encontraría en su estado elemental. Por ello, en el presente proyecto de investigación, se plantea el diseño de un sistema de protección catódica por corriente impresa, en el cual, primeramente se evaluaran y analizaran las condiciones actuales del sistema de tuberías, recolectando información referente a la caracterización y antecedentes de la presencia fallas de funcionamiento y por corrosión de dichas líneas, además de las especificaciones del suelo en las que se encuentran enterradas. Así mismo, se definirán los parámetros a considerar en el diseño y selección del sistema de protección catódica para las tuberías y una vez definido los parámetros y analizado las condiciones del sistema de tuberías, se seleccionará el sistema de protección idóneo, que cumpla con los criterios establecidos en la norma NACE.

1.5 Objetivos 1.5.1 Objetivo General Seleccionar y diseñar el sistema de protección catódica para el corredor de tuberías principal, conformado por las líneas de crudo, diluente y agua del Centro Operacional Bare (COB). 1.5.2 Objetivos Específicos 1. Recolectar, evaluar y analizar las condiciones actuales del sistema de tuberías del corredor principal del Centro Operacional Bare en PDVSA- PETROPIAR. 2. Definir los parámetros a considerar en el diseño y selección del sistema de protección catódica para las tuberías. 5

3. Seleccionar el sistema de protección catódica más óptimo, según análisis técnico– económico. 4. Diseñar un sistema de protección catódica para el corredor principal de tuberías, comprendido entre la estación de válvulas B hasta el múltiple de entrada al Centro Operacional Bare.

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CAPÍTULO II FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.1 Definición de Corrosión

Se entiende por corrosión la interacción entre un metal con el medio que lo rodea, dando origen al deterioro en sus propiedades físicas y químicas. Las características fundamentales de este fenómeno es que sólo ocurre en presencia de un electrolito, ocasionando regiones identificadas como anódicas y catódicas. En la zona anódica se da la reacción de oxidación en la cual los electrones son liberados dirigiéndose a otras regiones catódicas y por lo tanto en esta zona se producirá la disolución del metal (corrosión) y en la zona catódica, la inmunidad del metal (2,3).

2.2 Corrosión de tuberías enterradas

Uno de los medios donde se puede producir la corrosión es en el suelo, el cual es un electrolito que puede contener agua y sales al mismo tiempo, con resistencia específica que varía según el contenido de los mismos, aumentando o disminuyendo el grado de agresividad del terreno (4). Hoy en día, existe una gran cantidad de estructuras metálicas, que por requerimientos de instalación deben estar enterradas y están en contacto con este tipo de electrolito, entre ellas las tuberías de transporte de agua, gas, crudo, cables eléctricos, entre otros (4). El suelo constituye un medio muy heterogéneo con respecto a su composición química, granulometría, humedad, pH, nivel de aireación, resistividad eléctrica etc. Todos estos factores pueden aumentar o disminuir la agresividad del suelo y ser más o menos corrosivos (4). . 7

Cuando una tubería se encuentra enterrada, se pueden presentar las siguientes reacciones químicas debido a los mecanismos de corrosión electroquímica, siempre y cuando exista un mínimo de humedad que permita la existencia de una película condensada sobre la superficie de la tubería expuesta al medio (4)

2.3 Reacciones de corrosión en contacto con el suelo

Cuando las tuberías se encuentran enterradas se pueden dar reacciones anódicas y catódicas, donde la reacción anódica viene dada como siempre indicando la disolución del metal (4):

Ec.2.1

Y la reacción catódica viene dada en algunos casos por la reducción del oxígeno o reducción de protones en el caso de suelos ricos de materia orgánica con presencia de bacterias (suelos ácidos) (4): Ec.2.2 Ec.2.3

2.4 Características del suelo como medio agresivo

Los suelos están conformados por una gran cantidad de microporos rellenos de aire y/o humedad y pueden poseer desde partículas gruesas de arena con tamaños entre 0,07 y 2 milímetros (mm), hasta partículas coloidales características de suelos arcillosos con tamaños menores a 0,07 milímetros (4). Los suelos arenosos se caracterizan por ser secos, aireados, con una resistividad alta y por lo tanto, poco agresivos, en cambio, los suelos arcillosos tienen una resistividad baja por el nivel de humedad que poseen, convirtiéndolos en suelos agresivos (4). Por otro lado, es preciso señalar, que generalmente cuando se realiza una zanja para situar allí la tubería, la zanja es rellenada con otro tipo de material orgánico y se alteran las condiciones y 8

características de terreno, precisamente la zona que estará en contacto con el metal, por ende, la compactación de esta región es menor a la de su entorno y, por tanto, la permeabilidad de los agentes agresivos es mayor, por ejemplo O2 y H2. Por otro lado, la humedad en esta zona suele ser mayor, facilitando los fenómenos de condensación (4).

La humedad del terreno, unido al contenido de sales, está íntimamente relacionado con su resistividad y su nivel de agresividad. Los suelos húmedos y conductores son más agresivos que los suelos secos y resistivos. De acuerdo a esto, es común clasificar a los suelos en cuanto a su agresividad en función de la resistividad de los mismos, tal como se observa en la tabla 2.1 (4).

Tabla 2.1 Clasificación de los suelos con respecto a su agresividad en función a la resistividad que poseen. Resistividad (ohm-cm)

Características corrosivas del Suelo

10.000

Muy ligeramente corrosivos

Tomando en cuenta este factor, es importante conocer algún procedimiento que permita medir la resistividad del terreno. Uno de los métodos más utilizados para este fin es el método Wenner (4)

.

2.5 Método para determinar la resistividad del suelo

El método Wenner consiste en enterrar 4 puntas de prueba (electrodos) equidistantemente y en línea recta sobre el suelo que va a ser estudiado. Estas puntas se conectan a través de unos cables a un instrumento de medición llamado medidor de resistencia de suelos, este introducirá corriente en el terreno a través de las barras externas y una diferencia de potencial a través de las puntas internas. Tal como se observa en la figura 2.1 Una vez cerrado el circuito, el instrumento medirá la resistencia del suelo al paso de corriente mediante la relación (4,5): Ec.4 9

Donde R es la resistencia del suelo, V el voltaje e I la corriente. Por otro lado, la resistividad del suelo (ρ) vendrá dada por la siguiente expresión:

Ec.5

Donde A es la distancia de separación entre los pines, y R la resistencia del suelo

Figura 2. 1. Método Wenner (4).

El resultado de la medición de la resistividad representa la resistividad promedio de un hemisferio de la tierra de un radio igual a la separación entre los pines (4,5).

2.6 Influencia del pH y contenidos de sales en las características del suelo

Generalmente los suelos presentan pH neutro o alcalino. Sin embargo, pueden tomar un pH ácido debido a la formación de H2CO3 a partir del CO2 disuelto en agua. El CO2 también es habitual que aparezca en aguas profundas o por efectos de la actividad biológica de ciertos organismos. Así mismo, la acidez puede sobrevenir también, como consecuencia de la presencia de materia orgánica en descomposición, tal como es el caso del Humus. En estas condiciones, la reacción catódica vendría dada por la reducción de H+ y la velocidad de corrosión aumentaría (4). 10

Por otro lado, determinados terrenos pueden presentar valores de pH superiores a 9, lo que originaría la corrosión alcalina de metales anfóteros, los cuales se disolverían formando aniones solubles tales como ferritos, ferratos etc. (4). Por lo que respecta al contenido de sales, la mayor parte de los suelos están constituidos principalmente por silicatos y carbonatos de calcio y magnesio, óxidos de aluminio e hierro insolubles y sales solubles que influyen determinantemente en la conductividad del suelo, constituidos por cloruros y sulfatos de sodio, potasio, calcio y magnesio (4). Así mismo, los aniones Cl- SO4= contribuyen a la corrosividad del suelo, rompiendo localmente las películas pasivas formadas en la tubería, dando origen al fenómeno de corrosión por picadura en el caso de los cloruros, y por la posible participación en la acción biológica de bacterias sulfatoreductoras en el caso de los sulfatos (4). En las plantas de producción de petróleo, muchos casos de corrosión importante han ocurrido en las tuberías de producción, en las válvulas y en las líneas de flujo desde el pozo hasta el equipo de procesamiento. La razón es porque el petróleo y el gas que se obtienen desde el pozo contienen cantidades variables de agua, que pueden ser precipitadas como una fase separada en contacto con la superficie del metal y que además, esta agua puede contener gases tales como el CO2 y posiblemente H2S, así como también sales. Estos factores, mas los factores asociados al suelo, cuando las tuberías se encuentran enterradas, pueden causar grandes daños y perdidas por corrosión (5). Generalmente, las medidas más importantes para la prevención de la corrosión en los suelos son el uso de recubrimientos orgánicos (alquitrán de hulla, plástico o caucho (6 mm), cinta herida), recubrimientos inorgánicos (mortero de cemento o esmalte, pero éstos son frágiles y pueden ser fácilmente dañadas mecánicamente ), reforzado con fibra de mortero de cemento, recubrimientos metálicos (por inmersión en caliente o zinc de proyección térmica), el relleno de piedra caliza o cualquier otro asunto que contienen calcio, y la protección catódica. La combinación de recubrimiento reforzado alquitrán de hulla y protección catódica se ha utilizado ampliamente para proteger las tuberías y tanques (5).

11

Como ya se menciono anteriormente, la corrosión es el proceso de degradación del metal debido a su interacción con el medio que lo circunda. A través de investigaciones y avances en la tecnología, se han encontrado alternativas para controlar este fenómeno, siendo una de ellas, los sistemas de protección catódica, ya que puede aplicarse para evitar la corrosión de todos los metales y aleaciones.

2.7 Definición de Protección Catódica (PC)

La protección catódica es un método utilizado para disminuir la velocidad de corrosión de una superficie metálica, haciendo que la superficie del metal se comporte como un cátodo cuando se encuentra sumergido, o enterrado en un electrolito.(18) La protección catódica se alcanza cuando el potencial eléctrico del metal a proteger se torne más electronegativo mediante la aplicación de una corriente directa o la unión de un material de sacrificio, de acuerdo con lo que se observa la figura 2.2 es llevar el potencial del metal desde el punto A ubicado en la zona de corrosión hasta un punto B en la zona de inmunidad del un diagrama de potencial – pH, comúnmente conocido como diagrama de Pourbaix.. La protección catódica es potencialmente eficiente para contrarrestar todos los tipos de corrosión electroquímica, incluyendo corrosión galvánica, por bacterias, corrosión-fatiga, corrosión bajo tensión, etc. (3,7, 8).

A

B Figura 2. 2. Diagrama general de Pourbaix del Hierro (8). 12

El objeto de la protección catódica es proteger al cátodo y en la práctica se utiliza principalmente en aceros al carbono, que tienen poca resistencia a la corrosión, permitiéndoles ser utilizados en ambientes corrosivos tales como agua de mar, suelos ácidos, hormigón cargado de sal, entre otros. La protección catódica puede evitar la corrosión de forma indefinida en todos estos entornos si es correctamente diseñada y mantenida (8). La protección catódica se sugirió por primera vez por Sir Humpherey Davy en la década de 1820 como un método para controlar la corrosión en los barcos de la armada británica, seguidamente se hizo común en la década de 1930 en la costa del Golfo de los Estados Unidos, donde se utilizó para controlar la corrosión de los ductos que transportan hidrocarburos de alta presión (gas natural y productos petrolíferos). Una gran parte de la terminología de la protección catódica aún se relaciona con el control de la corrosión en tuberías de acero enterradas en tierra. Usualmente todas las tuberías modernas están recubiertas con una capa orgánica de protección que se complementa con los sistemas de protección catódica para evitar la corrosión en los posibles defectos en la capa protectora (9).

2.8 Tipos de Protección Catódica

Existen dos tipos de protección catódica: sistemas de protección catódica por ánodos galvánicos, conocidos como ánodos de sacrificios

y sistemas de protección catódica por

corriente impresa (9). 2.8.1 Sistemas de protección catódica por ánodos de sacrificio El sistema de ánodo de sacrificio se compone de un sistema de pila galvánica en la que el ánodo está hecho de un metal más activo que la estructura. El ánodo es conectado a la estructura y la corriente de salida del ánodo puede ser medida. Los ánodos de magnesio y zinc se utilizan comúnmente en instalaciones subterráneas (figura 2.3), y en agua salada, ánodos de zinc y aleaciones de aluminio (10). Algunas de las ventajas de los sistemas de protección por ánodos de sacrificio son que estos no requieren de alimentación externa de corriente, necesitan de poco mantenimiento e 13

inspecciones, son fáciles de instalar y tienen poca interferencia catódica. Sin embargo, se deben tomar en cuenta las siguientes desventajas: la corriente de salida es limitada, los costos de reemplazo son altos, se necesita de un buen revestimiento además de un aislamiento eléctrico de la estructura protegida (10). Los sistemas de protección por ánodos de sacrificio se utilizan generalmente en estructuras costa afuera, en los cascos de los barcos, en las cajas de agua de los intercambiadores de calor, entre otros (10).

Figura 2.3.Protección Catódica con ánodos de Sacrificio (9).

2.8.2 Sistemas de protección catódica por corriente impresa En cambio, los sistemas de protección catódica por corriente impresa, utilizan como medio de alimentación una fuente externa de energía para su funcionamiento. Este tipo de sistemas son favorables bajo requerimientos de alta demanda de corriente (9).

14

Los usos más comunes del método de corriente impresa de protección catódica incluyen largas tuberías de transportan fluidos, complejas estructuras enterradas, estructuras marinas, tanques de almacenamiento, etc. (6). La figura 2.4 muestra un sistema de corriente impresa por ánodos convencionales para proteger una tubería, en el cual, los ánodos enterrados y tuberías están conectados al rectificador eléctrico que suministra corriente al ánodo y la tuberías enterradas del sistema. A diferencia de los ánodos de sacrificio, los ánodos de corriente impresa no necesitan ser naturalmente anódicos con respecto al acero, y de hecho rara vez lo son. La mayoría de los ánodos para corriente impresa están hechos de materiales de electrodo no consumible que son catódicos con respecto al acero. Si estos electrodos estuviesen conectados directamente al acero, estos actuarían como cátodos y podrían ocasionar la corrosión acelerada de la estructura a la que están destinados a proteger. La fuente de corriente directa invierte la polaridad natural y permite que los materiales seleccionados como ánodos de corriente impresa actúen como ánodos, y en vez de darse lugar la corrosión de estos, se da origen a alguna reacción de oxidación, como la de oxigeno o desprendimiento de cloro, evitando que el ánodo o los ánodos se consuman a altas velocidades (9).

Figura 2. 47.Sistema de protección catódica por ánodos de corriente impresa de una tubería enterrada (9).

15

Los sistemas de corriente impresa son más complejos que los sistemas con ánodos de sacrificio. La inversión económica necesaria para suministrar corriente directa al sistema es mayor que la necesaria para una simple conexión entre un ánodo y un cátodo (9). Las diferencias de voltaje entre el ánodo y el cátodo están limitadas en los sistemas de ánodos de sacrificios, aproximadamente a 1 V o incluso a menos dependiendo del material del ánodo y el medio ambiente especifico. En cambio, los sistemas de corriente impresa pueden usar grandes diferencias de voltaje. Los grandes voltajes disponibles con los sistemas de corriente impresa permiten la locación de los ánodos remotos, que producen los mejores patrones de distribución de corriente a través del cátodo protegido (6).

2.9 Tipos de ánodos para corriente impresa

Dado a que este proyecto se basa en el diseño y selección de un sistema de protección de tuberías por corriente impresa, se describirán a continuación los tipos de ánodos utilizados para tal fin. Una de las características principales de este tipo de ánodos es que estos deben poseer bajas tasas de consumo cuando son conectados a una fuente de energía para la protección catódica, entre estos se encuentran (9): 

Ánodos de ferrosilicio: son usados para aplicaciones de protección catódica en tierra y en

otros lugares donde la resistencia a la abrasión y otras consideraciones de daños mecánicos son importantes. Son recomendables en terrenos de media y baja resistividad. Estos ánodos están disponibles en barras solidas, formas tubulares y muchas otras formas en una amplia variedad de tamaños para satisfacer las demandas de aplicaciones específicas. Por ejemplo el rango de las barras solidas pueden estar desde 30mm de diámetro x 230mm de longitud y 0,45 kg hasta 115mm de diámetro x 1525mm de longitud y 100kg. Las barras más pequeñas se utilizan para proteger tanques subterráneos de almacenamiento de agua dulce, y las barras mas grandes se utilizan en medios más agresivos tales como el agua de mar (9). 

Ánodos de grafito: estos se utilizan principalmente en terrenos de resistividad media para

protecciones catódicas en tuberías bajo tierra, en los cuales, los ánodos pueden ser enterrados en múltiples lechos de ánodos. Generalmente están disponibles en 75mm de diámetro x 1525 de 16

largo y barras de 100mm de diámetro x 2000mm de largo. Debido a la naturaleza frágil del material, el grafito debe ser almacenado y manipulado con cuidado (9). 

Metales preciosos también son utilizados como ánodos de corriente impresa, ya que son

electrodos altamente eficientes y pueden manejar corrientes mucho más altas que los ánodos fabricados a partir de otros materiales. Estos ánodos pueden ser titanio platinado o de tantalio, este material está especialmente indicado para instalaciones en agua de mar, incluso en agua dulce y en suelos (9). 

Ánodos de cerámica. Son los materiales más recientes disponibles para los ánodos de

protección catódica. Estos ánodos se suministran como recubrimientos de oxido sobre sustratos de metales de transición o como una masa cerámica. Su uso como ánodos de protección catódica para proteger acero reforzado en concreto es nuevo, pero los ánodos de recubiertos de oxido sobre metales de transición han sido usados desde finales de 1960 en la industria para proteger tanques de agua y estructuras enterradas de acero (9). 

Ánodos compuestos de oxido y metal (chatarra). Este tipo de ánodo puede ser utilizado

en terrenos de resistividad elevada y es aconsejable que este rodeado de un relleno artificial constituido por carbón de coque. El consumo medio.de estos lechos de dispersión de corriente es de 9Kg/Am*año Son usados en ambientes clorados y consisten de una mezcla de dióxido de rutenio y recubrimiento de oxido de titanio sinterizado en un sustrato de titanio puro (9). 

Ánodos poliméricos continuo: se utiliza para la protección y rehabilitación de tuberías

enterradas y bases de tanques. Este tipo de ánodo proporciona una protección efectiva y uniforme, con una interferencia mínima de las estructuras adyacentes. En la rehabilitación de tuberías que poseen un revestimiento envejecido y desgastado, es una solución económica por su simple implementación que no interviene en el aumento de la corrosión en la tubería

(9)

. Los

cuatro elementos básicos del ánodo polimérico son (11):  Menudo de coque de alto rendimiento que sirve como matriz activa en la cual se producen las reacciones electroquímicas.

17

 Conductor de cobre que actúa como barra conductora de baja resistencia para suministrar la corriente requerida en una distancia considerable sin incurrir en una disminución del voltaje longitudinal.  Polímero conductor especial (polietileno lineal de baja densidad) que protege al conductor de cobre de ataques químicos, permitiendo que la corriente fluya a lo largo del mismo, desde el conductor de cobre hasta el medio ambiente.  Camisa tejida que mantiene el menudo de coque en su lugar alrededor del ánodo. Está diseñado para resistir ataques químicos y permite que la corriente fluya desde el ánodo hasta el suelo circundante. A diferencia de otros sistemas de protección catódica convencionales, el ánodo polimérico continuo se coloca en el suelo próximo a la superficie de acero a proteger, brindando una distribución uniforme de la corriente protectora a toda la superficie de acero, manteniendo el potencial dentro del rango de protección como se observa en la figura 2.6 (9).

Figura 2.5. Elementos básicos de un ánodo polimérico (11).

18

Figura 2. 68. Potenciales de protección del APC y de los lechos de ánodos (11).

2.10 Criterios para la protección catódica

La Protección Catódica de un sistema de tuberías enterradas o sumergidas se alcanza cuando se cumple alguno de los Criterios de protección que se presentan en la Norma NACE RP0169-2002, Control de Corrosión Externa de Sistemas de Tuberías Metálicas Enterradas o Sumergidas. En la Norma se da una lista de Criterios de Protección Catódica, los cuales cuando se cumplen por separado o colectivamente indicarán que se ha alcanzado la protección catódica adecuada de una tubería en su electrolito. A continuación se presentan los criterios más usados hoy en día referidos a los valores de potenciales tubo a suelo alcanzados al recibir la corriente protectora (12):



Un voltaje negativo (catódico) de por lo menos 850 mV con la protección catódica

aplicada. Este potencial se mide con respecto a un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado en contacto con el electrolito. Se debe considerar caídas de voltaje distintas de aquellas a través de la interfaz estructura-a-electrolito para la interpretación válida de esta medición de voltaje. 19



Un potencial polarizado negativo (Poff) de por lo menos 850 mV relativo a un

electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado.



Un mínimo de polarización catódica de 100 mV entre la superficie de la estructura y un

electrodo de referencia estable en contacto con el electrolito. Se puede medir la formación o pérdida de polarización para satisfacer este criterio. La manera práctica de probar este criterio es interrumpir la corriente protectora, apagando y

prendiendo la fuente de energía. Los

potenciales activos (rectificador prendido) se llaman ON o Pon y aquellos inmediatamente después de interrumpir la corriente se llaman OFF o Poff. Cuando se interrumpe inicialmente la corriente protectora, ocurrirá una variación de voltaje inmediata. El voltaje después del cambio inmediato será usado como el valor base a partir del cual se mide la pérdida de polarización.

La polarización se define como el cambio de potenciales de una superficie metálica, tanto en sentido negativo como en el positivo, resultante del paso de corriente directa hacia o de un electrodo. La polarización se puede lograr en un tiempo relativamente corto, sin embargo en otros casos se requiere mayor tiempo de aplicación de la corriente protectora para que los potenciales se vuelvan más negativos (12).

La despolarización o cambio del potencial en sentido positivo, es el valor que se toma en cuenta cuando se aplica el criterio de protección catódica de variación en sentido positivo de 100 mV al apagar el rectificador (12).

2.11 Diseño de sistemas de protección catódica

Diseñar procedimientos para sistemas de protección catódica varían entre las organizaciones, pero las siguientes pautas generales son seguidas para proteger tuberías enterradas y requieren de la investigación de características respecto a la estructura a proteger y al medio (9,13):

20

2.11.1. Respecto a la estructura a proteger:  Material de la estructura.  Especificaciones y propiedades del revestimiento protector en caso de que exista.  Características de construcción y dimensiones geométricas.  Mapas, planos de localización, diseño y detalles de construcción.  Localización y características de otras estructuras metálicas enterradas o sumergidas en las proximidades.  Información referente a los sistemas de protección catódica y/o sistemas de operación aplicadas a estructuras protegidas aledañas (si las hay).  Análisis de condiciones de operación de líneas de transmisión eléctrica de alta tensión, que estén paralelas o perpendiculares a las líneas de flujo y puedan causar inducción de corriente.  Información sobre todas las fuentes de corriente alterna de baja y media tensión, que podrían alimentar a los rectificadores de corriente o condiciones mínimas para la utilización de fuentes alternas de energía. 2.11.2. Respecto al medio Una vez obtenida la información anterior, el diseño será factible si se dispone además de las mediciones de las características de campo, tales como:  Mediciones de la resistividad eléctrica del suelo, a fin de evaluar las condiciones de corrosión a las que está o estará sometida la tubería, y definir el tipo de sistema a utilizar; galvánico, o corriente impresa, además de escoger el tipo de ánodo que se utilizará.  Mediciones del potencial tubería-electrolito, para evaluar las condiciones de corrosividad en la estructura y detectar además, los problemas de corrosión electrolítica.  Determinación de los lugares para la instalación de los ánodos bajo los siguientes principios:  Distribución de la corriente  Accesibilidad a los sitios para montaje e inspecciones futuras  Determinación de la corriente necesaria para proteger toda la tubería o conjunto de tuberías.

21

CAPÍTULO III PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para la selección y el diseño de un sistema de protección catódica por corriente impresa que cumpliera con todos los parámetros para asegurar la inhibición contra la corrosión externa de las tuberías, se siguió el siguiente esquema

Evaluación de las condiciones actuales del sistema de tuberías

Definicion de los parámetros de diseño del SPC

Selección del SP

Diseño del Sistema

Figura 3.1. Esquema metodológico para la selección y diseño de un sistema de protección catódica por corriente impresa.

3.1. Evaluación de las condiciones actuales del sistema de tuberías

Apoyados en el departamento de documentación de documentación técnica de la empresa, se recolecto la data necesaria para evaluar las condiciones actuales del sistema. Para ello fue necesario consultar la documentación relacionada al corredor de tuberías en estudio y se recolectó información referente a la caracterización y funcionamiento de las líneas (data técnica y de 22

procesos), perfiles y configuración de las líneas, así como también las características del terreno donde están enterradas las mismas, además de la existencia de fallas por corrosión o fallas de funcionamiento de las líneas e inspecciones realizadas por los operadores de planta. Todo lo cual permitió llevar a cabo una evaluación detallada de las condiciones actuales del mencionado sistema de tuberías. Por motivos prácticos el corredor de tuberías se separó en tres tramos: Norte – Sur, Este y Oeste, tal como se muestra en la tabla a continuación: Tabla 3.1. División seleccionada del corredor principal Tramo

Líneas

Descripción

1: Norte- Sur

Oleoducto – Diluenducto – Agua de Procesos

Longitud (m)

C.O.B – Junction A

6725

2: Oeste

Agua de procesos

3: Este

Oleoducto – Diluenducto

Parra determinar las características del suelo

Junction A – Pozo inyector de Agua Junction A – Junction B

5656 3158

se procedió a ubicar las procedimientos

seguidos para la medición de pH, determinación de cloruros, sulfatos y bacterias sulfatoreductoras presentes en el suelo y los resultados correspondientes. Estos procedimientos se encuentran anexos en el apéndice 3.

3.2. Definición de los parámetros de diseño del sistema de protección catódica

Para la definición de estos parámetros se procedió a recopilar los datos más importantes y relevantes para el diseño del SPC, según los criterios establecidos en las normas PDVSA 90618.1.072 “Guía de diseño Protección Catódica” y HA-201 “Criterios de Diseño para SPC”, las cuales estipulan que los parámetros necesarios son: la resistividad del terreno, el potencial natural de cada tubería del sistema con respecto al suelo, el tipo y estado del revestimiento de las líneas y la demanda de corriente de protección. 23

Resistividad del suelo La resistividad del suelo fue determinada mediante el método Wenner de las cuatro electrodos, tal como se observa en la figura 3.2, basado en la norma ASTM G57 “Standard Test Method for Field Measurement of Soil Resistivity Using the Wenner Four Electrode Method”, cuyo procedimiento se encuentra descrito en el apéndice 1.

Figura 3.2. Procedimiento para medir la resistividad del suelo mediante el método Wenner. Los círculos representan los cuatro pines enterrados.

Potenciales tubo- suelo Las mediciones de los potenciales entre la tubería y el electrolito (el suelo) se realizaron utilizando un voltímetro marca FLUKE 187, conectándose el terminal negativo a la tubería y el positivo a una celda de referencia de cobre/sulfato de cobre, que a su vez estuvo en contacto con el electrolito, tal como se explica en el apéndice 2.2. En la figura 3.3A y 3.3B se puede observar este procedimiento.

24

Figura 3. 3. Medición de potenciales en campo.

Requerimientos de corriente Este valor se seleccionó basándose en la tabla de densidad de corriente para acero sumergido y para acero enterrado “Approximate current requeriments for cathodic protection of steel” (NACE corrosión engineers reference book pagina 162), donde se indica que para tuberías de acero enterradas y con resistividades del suelo elevadas, los requerimientos de corriente de protección se encuentran entre 0,1 y 0,5 mA/m2 (0,01 y 0,05 mA/pie2). Se tomó el valor extremo para suplir cualquier demanda de corriente adicional del sistema. Revestimiento externo de las tuberías. Para definir el daño que presentaba el revestimiento externo de las tuberías, se tomó un valor referencia presentado en la tabla 4 de nombre “Eficiencia del Revestimiento” presente en la norma PDVSA HA201 (ver apéndice 6), debido a que no pudieron llevarse a cabo las pruebas experimentales para determinar el estado real del revestimiento externo de las mismas.

3.3. Selección del SPC

25

Para la selección de la opción más adecuada del método de protección catódica por corriente impresa, que cumpliera con los requerimientos técnicos, económicos y de calidad, se realizó un análisis que consistió en tomar en cuenta los parámetros que se definirán a continuación. Así mismo, se indicaron las ventajas y desventajas sobresalientes de cada opción, según lo estipulados en las bibliografías, para luego realizar una matriz de evaluación técnico-económica, cuyos resultados permitieran elegir el método más idóneo. Los parámetros seleccionados son los siguientes: 

Inversión inicial (A): Se refiere al costo del material más el costo asociado a la instalación del sistema de protección.



Cantidad (B): Se refiere a la cantidad de material a utilizar (según sea el caso) para lograr una protección adecuada del sistema de tuberías.



Facilidad de construcción (C): Se refiere a la complejidad de los trabajos a realizar para la instalación y puesta en funcionamiento del sistema



Durabilidad (D): Se refiere al tiempo de vida útil que dura el sistema.



Reacondicionamiento del revestimiento (E): Asociado a las reparaciones previas a la instalación del sistema de protección catódica.



Mantenimiento (F): Se refiere a los trabajos periódicos a realizar para garantizar el funcionamiento del sistema en el tiempo.



Distribución del potencial a lo largo de la tubería (G): Se refiere a la uniformidad del aporte del potencial de protección a la (s) tubería (s) a proteger.



Impacto ambiental (H): Consiste en la magnitud de afectación al medio ambiente durante la instalación inicial del sistema, además de cada vez que se realice mantenimiento. 26

Para la evaluación comparativa de las opciones y para la elaboración de la matriz técnicoeconómica, se tomaron en cuenta los parámetros especificados anteriormente, y se le asignó una puntuación (peso del parámetro) del 1 al 4, de acuerdo a la consideración del grupo evaluador, donde el numero 4 tiene un alto peso, el 3 mediano, el 2 es bajo y el 1 muy bajo peso. Luego se procedió a evaluar cada una de las opciones, con una escala de 1 al 3, donde el numero 3 significa que es muy bueno, 2 es aceptable y 1 es poco conveniente. Para obtener el total por opción se multiplicó el peso de cada parámetro por la evaluación obtenida, y luego se sumaron los valores para cada opción. Mientras mayor sea el total de la opción, más conveniente será la misma.

3.4. Diseño del SPC

Para el diseño del sistema de protección catódica, una vez seleccionado el método a utilizar, se realizó el cálculo de la demanda de corriente y voltaje para cada fuente de energía (rectificador) basado en las ecuaciones establecidas por Dwight, cuya memoria de cálculos se encuentra anexa en el apéndice 4. Igualmente se definió la ubicación de los mismos y se planteó el mejor lugar donde iría enterrado el ánodo, de manera tal que protegiera a las líneas seleccionadas para el estudio. El criterio para la selección de rectificadores se basó en la cantidad de corriente requerida para proteger la tubería, con un margen aceptable de deterioro del revestimiento debido al envejecimiento natural del mismo (3). Los rectificadores se diseñaron de tal manera de permitir una variación de salida de corriente y voltaje DC, para adaptarse a las desviaciones de humedad del subsuelo, requerimientos adicionales de corriente protectora y mantenimiento del potencial de protección catódica (3). Para ubicar los rectificadores se tomó en cuenta la facilidad de conexión con los ánodos, es decir, de la longitud de los cables que conectarían a los ánodos a cada caja de ánodos y esta a su vez a la caja de positivos externas al rectificador. Se ubicaron de manera tal, que la longitud de estos cables sea la menor posible. 27

Por último, para la ubicación de los ánodos, se consultó con la empresa Azex Industrial, encargada de distribuir los ánodos poliméricos continuos en Venezuela y estipulan que los ánodos deben colocarse paralelamente a las tuberías, y que en caso de que las resistividades del terreno no sean constantes, el APC se dividirá en varios trozos longitudinales.

28

CAPÍTULO IV RESULTADOS Y ANÁLISIS

3.1 EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES ACTUALES DEL SISTEMA DE TUBERÍAS.

3.1.1. Caracterización del sistema de tuberías. 3.1.1.1 Data mecánica. La data mecánica está basada en las características de diseño de cada una de las líneas de interés, las cuales se pueden apreciar en la tabla número 4.1. Tabla 4.1. Data mecánica de las líneas de crudo, diluente y agua del corredor principal tuberías. Características de Diseño Líneas

Diámetro Espesor de (pul) pared (pul)

Oleoducto

36

0,438

Diluenducto

16

0,25

Línea de Agua de Procesos

8,625

0,5

Grado API 5L X60 API 5L X60 API 5L Grado B

Clase de Tubería

Factor de Diseño

JV3A-1 JV3A-1

0,72

DA-1

Estas líneas fueron construidas para un tiempo de vida de 30 años, bajo la norma API 5L, empleándose el Grado X60 para el oleoducto y diluenducto y el Grado B para la línea de agua de 29

procesos. Presentan un espesor constante a lo largo de toda su longitud y son de acero al carbono. Las líneas de crudo y diluente se encuentran enterradas a una profundidad de 1,91m y la de agua a 1,22m. Presentan un revestimiento exterior epóxico adherido por fusión (Fusion-Bonded Epoxy FBE), el cual está diseñado para proporcionar protección máxima contra la corrosión en los sistemas de tuberías. En los tres casos este revestimiento posee un espesor comprendido desde 16 a 18 mils (406 a 456 micrones) (14,15).

3.1.1.2. Data de procesos. Las principales variables de proceso de una línea operacional son la presión y temperatura, las cuales conforman la data de procesos respectiva. En tal sentido, en la tabla 4.2 se reportan los valores de estas variables, asociados a cada una de las tuberías, y en la figura 4.1 se muestran las fotografías de las líneas en estudio: Tabla 4.2. Data de procesos de las líneas de crudo, diluente y agua del corredor principal Presión de Operación (psi)

Presión de Diseño (psi)

Temperatura de(ºF)

Oleoducto

631,82

695

110

Diluenducto

631,82

695

90

Línea de agua de procesos

200

220

200

3.1.1.3. Perfiles de las líneas y perfiles topográficos Los anexos 1-9 ilustran los planos de las líneas en estudio, los perfiles topográficos, la configuración de las tuberías, profundidad a la que están enterradas, y los puntos de medición.

30

Los perfiles topográficos es la representación lineal y grafica del relieve de un terreno a partir de dos ejes uno con altitud y otro con longitud, lo que permite establecer las diferencias altitudinales que se presentan a lo largo de un recorrido.

Figura 4.1. Fotografías representativas de las líneas en estudio. a) Tubería de crudo de 36 pulgadas y tubería de agua de procesos de 8 pulgadas. Inicio del corredor. b) Tubería de diluente de 16pulgadas y tubería de crudo de 36 pulgadas. Estación de válvulas B. c) Tubería de agua de procesos. Pozo de inyección de agua. d) Línea de agua de procesos de 8 pulgadas. 3.1.1.4. Antecedentes de funcionamiento.

En función a los antecedentes disponibles, se observó que las líneas de transporte de flujo no han registrado fallas de servicio desde que fueron instaladas en el año 2000. Igualmente, se pudo apreciar que no se han realizado inspecciones ni por campo remoto (inspección para evaluar el estado del revestimiento externo) ni inspección electromagnética por herramienta inteligente, para determinar la presencia de pérdida de espesor de pared en las tuberías en estudio.

31

3.1.2. Características del Suelo. . De acuerdo a los valores de pH, cloruros, sulfatos y bacterias sulfato reductoras, reportados en la documentación técnica de la empresa el suelo en el cual se encuentra enterrado el sistema de tuberías bajo estudio, se caracteriza según lo indicado en la tabla número 4.3

(16)

. Así mismo, en

la figura 4.2 puede apreciarse la apariencia de este tipo de suelo, el cual, en unas zonas era arcilloso, en otras arenoso, e incluso, habían zonas en las cuales el suelo presentaba las combinación de ambos tipos.

Tabla4.3. Características del suelo. Suelo de tipo arenoso – arcilloso

pH

Cloruros

Sulfatos

3,5

12,74ppm

990ppm

Bacterias Sulfatoreductoras 17NMP

Figura 4.2. Fotografías del tipo de suelo. En la figura a) se muestra un tipo de suelo arcilloso muy seco y en la b) un tipo de suelo arenoso. Al analizar los valores reportados en la tabla número 5, se puede observar que dado el valor de pH el suelo es sumamente ácido, según lo establecido por Javier Ávila. De acuerdo al cuadro 25 del libro “Más allá de la Herrumbre II” (ver apéndice 7), el contenido de sulfato en el suelo es 32

elevado, lo que tan elevados no permite que se formen los productos de corrosión normales sobre el acero enterrado, por lo que el efecto de la corrosión se ve reducido

(16,20)

. En relación a la

presencia de bacterias, se puede observar una baja presencia de las mismas en el suelo (17nmp) Es importante mencionar que dado que el informe del cual se sustrajeron

los valores

indicados en la tabla 5, data del año 2007 y no se disponía de estudios actuales del suelo, se decidió tomar dichos valores sólo como cantidades referenciales, por lo que no intervinieron en el diseño.

3.2 DEFINICION DE PARÁMETROS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA

3.2.1 Resistividad del Suelo Los valores calculados de resistividad en conjunto con la observación visual del terreno, permitieron conocer la naturaleza del suelo donde están enterradas las tuberías. En la tabla 4.4 se evidencia una gran variación de los valores de resistividad del suelo a lo largo del corredor de tuberías, fluctuando entre 12.000 Ohm-cm y 600.000 ohm-cm, caracterizando al suelo como poco corrosivo (17). Los valores de resistividad obtenidos son típicos para suelos areno arcillosos localizados en casi todo el área de la ciudad de El Tigre, Edo. Anzoátegui, según informes anteriores obtenidos del departamento de documentación técnica de la empresa. El suelo arenoso no posee suficiente humedad y es muy poroso, con mucho contenido de oxígeno, lo cual ofrece una gran resistencia del suelo al paso de corriente, siendo esta la condición que explica valores de resistividades tan altos. Tabla 4.4. Valores de Resistividad obtenidos mediante el método Wenner. Tramo C.O.B – Junction A

Punto de Medición. Progresiva (m) 0 500 1000

Resistividad (ohm.cm) 12.558,10 574.084,50 114.816,90 33

Punto de Medición. Progresiva (m) 2000 2500 3000 5000 6000 6500 7000 7500 8000 9000 9800

Junction A- Pozo de inyección de agua Junction A- Junction B

Resistividad (ohm.cm) 39.468,31 304.982,39 168.637,32 663.785,20 26.910,21 73.554,58 233.221,83 269.102,11 152.491,19 161.461,26 82.524,65

En la figura 4.3, puede apreciarse la gráfica correspondiente a los valores reportados en la tabla número 6, según cada uno de los tramos establecidos,

Resistividad (ohm.cm)

700000 600000 500000 400000 300000

Resistividad Norte-Sur

200000

Resistividad Oeste

100000

Resistividad Este

0 0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Progresiva (m).

Figura 4. 3. Representación gráfica de los valores de resistividad

3.2.2 Potenciales tubo- suelo De acuerdo a los resultados obtenidos, reportados en la tabla 4.5, se pueden apreciar variaciones de los valores de potenciales naturales, en un rango de -144mV a -722mV con 34

respecto al electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre, lo cual indica la actividad irregular del fenómeno de corrosión en cada una de las tuberías del corredor principal estudiado.

Tabla 4.5. Valores de potencial tubería/suelo obtenidos mediante un electrodo de referencia cobre/sulfato de cobre Potencial eléctrico tubería- suelo (mV Cu/CuSO4) Agua de Progresiva (m) Crudo Diluente procesos 100 370 144 230 1000 480 460 460 2000 300 250 300 600 530 600 3000 5000 722 710 707 8000 240 270 9000 240 280 9000 670 -

3.2.3 Requerimientos de corriente Para efectos de diseño, con una vida de los ánodos (consumibles) de 25 años, se empleó una densidad de corriente protectora de 0,5mA/m2 (0,05mA/pie2), aplicada sobre la superficie externa total de las tuberías.

3.2.4 Vida útil del sistema. La vida de diseño del sistema de protección catódica está definida entre 25-30 años de acuerdo con las normas PDVSA. Sin embargo, la vida útil en servicio depende del desempeño efectivo del revestimiento, considerando que ya tiene 11 años de servicio y que posiblemente el sistema de protección catódica necesitará una mayor demanda de corriente al pasar de los años, el tiempo de vida útil en servicio podría disminuir.

35

3.2.4 Revestimiento externo de las tuberías. La existencia de un revestimiento externo conlleva a que los requerimientos de corriente sean menores, pero debido al tiempo que poseen las tuberías enterradas, según la tabla 4 de la norma PDVSA HA201 (ver apéndice 6), el revestimiento tiene asociado un daño de 4,45% correspondiente a los 11 años que la tubería ha estado expuesta sin ningún tipo de protección alterno.

3.3 SELECCIÓN DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA

3.3.1 Evaluación de parámetros Tabla 4.6. Evaluación de los parámetros de selección para cada método Opción 2: Ánodo Polimérico

Parámetro

Opción 1: Lecho de Ánodos

Inversión inicial

588MBsF/lecho

351MBsF/km

Cantidad

5 Lechos Remotos de 8 ánodos cada uno

15km

Facilidad de

Excavaciones profundas con equipos

Construcción

especializados

Durabilidad

25 – 30 años

Reacondicionamiento Necesario. El recubrimiento debe estar en del revestimiento Mantenimiento Distribución del potencial a lo largo de la tubería Impacto ambiental

óptimas condiciones. Alto Costo Se requiere mantenimientos periódicos del lecho de ánodo Discontinua. Áreas de Sobre y Sub protección Bajo

Continuo

Zanjadoras de cadena de fácil uso con poco requerimiento de esfuerzo humano. 25 – 30 años No es necesario No requerido

Continua Bajo

36

3.3.2Ventajas y desventajas Tabla 4.7. Ventajas y desventajas del método de protección catódica por lecho de ánodos y por ánodo polimérico continuo. Opción

Lecho de Ánodo

Ánodo Continuo

 Ventajas

 Desventajas

 Baja velocidad de consumo de los ánodos.  Aplicables en cualquier medio.  Capacidad de protección en áreas grandes.  Voltaje y amperaje de protección variables.  Útil en diseños para cualquier requerimiento de corriente.

 Distribución discontinua de potencial.  Altos costos de mantenimiento.  Para optar por este método, el recubrimiento debe estar en excelentes condiciones, ya de modo contrario podría dañarlo aun mas ocasionando fallas mayores.  Altas corrientes de protección podrían dañar el revestimiento y fragilización por hidrógenos,

 El ánodo se encuentra siempre próximo a la tubería.  Distribuye la corriente de manera uniforme a lo largo de toda la tubería.  No existen áreas sobreprotegidas ni menos protegidas.  Previene el desprendimiento acelerado del revestimiento.  Prolonga sustancialmente la vida útil del revestimiento  Productos importados. existente.  No es de fácil consecución.  Longitudes de circuito  Escasas ofertas técnicas continuas. Menor costo de mantenimiento.  Mejora el rendimiento a largo plazo.  Dirige la corriente sobre la(s) estructura(s) objetivo.  Instalación con equipos de tendido de cables modificados.  Instalación de sistema Rápido, Fácil y Eficaz en función de los Costos

37

3.3.3 Matriz de Evaluación

Cantidad

Facilidad de Construcción

Variable Matriz de Peso del 1 al opciones 4 Lecho de ánodo Ánodo Polimérico Continuo

Inversión Inicial

Escala: 1. Poco conveniente 2. Aceptable 3. Muy bueno

Durabilidad Reacondicionamiento del revestimiento Mantenimiento Distribución del potencial a lo largo de la tubería Impacto ambiental

Tabla 4.8. Matriz de Evaluación Técnico- Económico para selección del método de protección catódica.

A

B

C

D

E

F

G

H

4

3

4

3

4

3

2

1

2 2

2 3

2 3

3 3

1 3

2 3

1 3

2 2

Peso: 4. Alto 3. Mediano 2. Bajo 1. Muy bajo

TOTAL 45 67

La opción 2 obtuvo mayor puntaje, por lo que el mejor método de protección por corriente impresa seleccionada fue el ánodo polimérico continuo

3.4

DISEÑO

DEL

SISTEMA

DE

PROTECCIÓN

CATÓDICA

POR

ÁNODO

POLIMÉRICO CONTINUO

3.4.1 Selección y ubicación de los rectificadores Los rectificadores se colocaron según se indica en el anexo 10, con la configuración de equipos que se muestran en el anexo 11, el rectificador uno (1) estuvo ubicado en el km 2, el rectificador dos (2) en el km10 del tramo oeste y el rectificador número tres (3) se ubicó en el km8 del tramo este.

38

Se selecciono un tipo de rectificador enfriado por aire, monofásico o trifásico, de tipo de ajuste manual, para corriente AC, con salida de corriente y tensión DC holgada para los sistemas de protección catódica. Rectificadores de esta marca o similares han sido utilizados por PDVSA para sus instalaciones de protección catódica en el país. En la tabla 4.9 se muestran las capacidades de cada rectificador de acuerdo a los cálculos realizados con las ecuaciones del apéndice 4. Tabla 4.9. Valores de corriente y tensión de las unidades rectificadoras Rectificador 1 2 3

Corriente (A) 2 1 1

Tensión (V) 25 1 9

Se debe tomar en cuenta que cuando más de un circuito de ánodos es conectado a la misma salida, frecuentemente se incluye un resistor variable en cada circuito para poder ajustar la corriente en cada uno de ellos individualmente. Los valores de corriente y tensión obtenidos para las unidades rectificadoras son bajos (ya que lo usual son unidades rectificadoras de 120/240AC/DC), lo que se traduce en unidades de pequeño tamaño, resultado que era de esperarse debido a las altas resistividades del área donde están enterradas las tuberías.

3.4.2 Instalación del ánodo continuo flexible En la tabla 4.10 se muestran las longitudes los ánodos asociados a cada rectificador. Se eligieron dichas longitudes por las variaciones de las resistividades. Para la instalación del ánodo polimérico continuo se llevará a cabo mediante el uso de equipo estándar de tendido de cables tal como excavadora hidráulica equipada con bobina para enrollar. Las dimensiones de una zanja tipo son de 1 pie de profundidad (30,48 cm) y 6” de ancho (15,24 cm) y se colocará a 0,2m de separación de la tubería de mayor diámetro (en el caso del tramo 1 y 3) y a 0,5m en el caso del tramo 2. No se necesitará de relleno especial y este tipo de instalaciones se puede lograr en un promedio de 3 kilómetros por día ya que este se comercializa 39

en bobinas. Los anexos 12,13 y 14, muestran la ubicación de los ánodos en cada tramo del corredor. Tabla 4.10. Longitudes de los APC asociados a cada rectificador Rectificador 1

2

3

Tramos 1.1 Norte 1.2 Sur 1.3 Sur 2.1 Oeste 2.2 Oeste 2.3 Oeste 2.4 Oeste 3.1 Sur 3.2 Este 3.3 Este

Longitudes de los APC (m) 1000 2000 2000 1280 2000 1250 1250 1700 1160 2000

,

40

CONCLUSIONES  En base a las condiciones actuales del corredor de tuberías, queda evidenciado que es necesaria la instalación de un sistema de protección adicional al existente, y que el método más adecuado para proteger las tuberías contra la corrosión externa es el de protección catódica por corriente impresa.  De acuerdo a los parámetros necesarios para el diseño del sistema de protección catódica por corriente impresa, se seleccionó el sistema más óptimo mediante un análisis técnicoeconómico, resultando que el método más conveniente es el de protección catódica por ánodos poliméricos continuos.  Se instalaran tres unidades rectificadoras que pueden ser del tipo monofásico o trifásico enfriado por aire, que aseguraran la protección por corrosión externa de las tuberías.

41

RECOMENDACIONES 

Registrar el voltaje de las líneas de alta tensión, la distancia entre las mismas y las tuberías, la longitud de los tramos paralelos, los sitios donde se cruzan y la separación horizontal de las bases de las torres y la vertical diagonal entre el corredor y los cables vivos de las líneas de alta tensión.



Realizar pruebas experimentales para determinar los valores de demanda de corriente para obtener valores reales.



Revisar el revestimiento de las tuberías mediante una herramienta inteligente electromagnética o por campos remotos, y en tal caso que el daño del revestimiento sea mayor al 4,45%, realizar todos los cálculos de diseño nuevamente.



Realizar mediciones de resistividades del suelo cada 100m para determinar con certeza las variaciones de este parámetro a lo largo del corredor de tuberías

42

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1.

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International. Houston, Texas. 2001. Pp. 1-6, 21-64, 156-200. 4.

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Method”. United States. 2006. 6.

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43

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en: http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/079/htm/masalla2.htm.

44

ANEXOS

45

Anexo 10. Ubicación de las unidades rectificadoras a lo largo del corredor principal. 55

Anexo 11. Equipos para protección catódica

Anexo 12.Ubicación del ánodo polimérico continuo en el tramo uno (1).

56

Anexo 1321. Ubicación del ánodo polimérico continuo en el tramo dos (2)

Anexo 22. Ubicación del ánodo polimérico continuo en el tramo tres (3) .

57

APÉNDICES A continuación se presentan los procedimientos de cada uno de los métodos necesarios para determinar los requerimientos para la selección del sistema de protección catódica del corredor principal de tuberías. Para determinar las exigencias de diseño del sistema de protección catódica, se realizaron mediciones de resistividad del suelo, mediciones de pH del terreno, cálculos de potencial natural entre la tubería y el suelo, además de las pruebas de demanda de corriente, para determinar las condiciones del revestimiento de las tuberías y la corriente necesaria para protegerlas catódicamente. Para determinar cada uno de los requerimientos necesarios se utilizaron los siguientes métodos:

Apéndice 1. Mediciones de Resistividad Para realizar las mediciones de resistividad del suelo se utilizó el método Wenner o de los cuatro electrodos o pines, basado en la norma ASTM G-57, llevándose a cabo los siguientes pasos: 1. Se seleccionó la alineación de los pines a utilizar a lo largo de la topografía, así como también la distancia de espaciamiento de los pines (A), y la profundidad a la que se enterraron los mismos (B). 2. Se enterraron las cuatro barras conductores equidistantes a 2,8m y a una profundidad de 0,3m y fueron conectadas formando un circuito eléctrico, donde, a través de los polos exteriores (C1 y C2) se hizo pasar una corriente calibrada y a través de los internos (P1 y P2) una diferencia de potencial o voltaje, que una vez cerrado el circuito el equipo determina la resistencia del sistema en ohmios y mediante la ecuación 2 que se encuentra en el marco teórico, la resistividad del suelo. Nota: Las mediciones de la resistividad del terreno se realizaron en lugares donde se notaba la existencia de cambios en las características del suelo.

58

Apéndice 2. Mediciones de Potencial Eléctrico de las Tuberías Para medir el potencial eléctrico de las tuberías, fue necesaria la preparación del electrodo de referencia a utilizar (MC Miller RE-5), de acuerdo a los pasos descritos en la guía “How to use and maintain MCM, Copper sulphate reference electrodes” de la empresa MC Miller Co.: 2.1 Preparación del electrodo o celda de referencia de cobre-sulfato de cobre para medición de potencial eléctrico de la tubería: Para medir el potencial eléctrico de las tuberías, fue necesaria la preparación del electrodo de referencia a utilizar (MC Miller RE-5), de acuerdo a los pasos descritos en la guía “How to use and maintain MCM, Copper sulphate reference electrodes” de la empresa MC Miller Co.: 1. En un recipiente completamente limpio se mezclaron cristales de sulfato de cobre con agua destilada en una proporción de 0,666lb de sulfato de cobre en 1000ml de agua destilada. 2. Se colocó la pieza cerámica en un contenedor limpio, junto con la solución de de sulfato de cobre en agua destilada por un rango de 24 horas, asegurándose de que la solución estuviese debidamente tapada para que no se contamine la muestra. 3. Se aseguró que la barra de cobre estuviese totalmente limpia y se unió al tubo de plástico ejerciendo un torque sobre los mismos. 4. Se llenó el tubo con 5gr de cristales de sulfato de cobre y luego se lleno completamente con la solución acuosa de sulfato de cobre. (Al añadir los gramos de sulfato de cobre, se asegura que la mezcla dentro del tubo este totalmente saturada. 5. Se colocó la pieza cerámica ejerciendo torque y se esperaron 24 horas extras para utilizar el electrodo y obtener mejores resultados.

2.2 Medición del potencial eléctrico de la tubería Una vez preparado el electrodo de referencia se procedió a determinar el potencial natural de las tuberías a proteger, el cual se define como la diferencia de voltaje existente entre la estructura

59

metálica y el electrolito. Esta medición se realizó con la ayuda de un multímetro y el electrodo de referencia Cobre-Sulfato de cobre y se procedió de la siguiente manera: 1. Se localizó en los planos de tuberías las estaciones de medición de corrosión. 2. Se colocó el Multímetro en una escala de medición de milivoltios de corriente directa, así mismo, se situó la celda de referencia en contacto con el terreno y se establece el circuito de medición ubicando el polo negativo del multímetro en la toma de potencial de la tubería, y el polo positivo en la varilla de cobre situada en la parte superior de la celda de referencia, determinando el potencial natural de la tubería de crudo, diluente y agua (36, 16 y 8 pulgadas respectivamente) seleccionadas para el diseño de la protección catódica. 3. Se repitió el mismo procedimiento en cada una de las estaciones de medición de corrosión existentes en el corredor de tuberías estudiado.

Apéndice 3. Medición de pH del suelo y presencia de cloruros y sulfatos.

De acuerdo a los procedimientos encontrados en la documentación técnica informe presentado, para determinar el valor del pH del suelo se efectuaron mediciones in situ mediante diferencia de potencial entre un electrodo de antimonio y uno de Cobre/Sulfato de Cobre. Para determinar la presencia de cloruros y sulfatos, se ensayaron varias muestras en el laboratorio del Centro Operacional Bare, con la finalidad de detectar el contenido de cloruros y sulfatos

Apéndice 4. Memoria de Cálculo para Diseño de Sistema de Protección Catódica. Los cálculos realizados en esta sección, fueron efectuados siguiendo los lineamientos establecidos en El Manual de Instrucciones para la elaboración de Memoria de Cálculos para Sistemas de Protección Catódica del Sistema Unificado de la Calidad de PDVSA. 3.1. Determinación de la corriente requerida 3.1.1. Cálculo de la superficie total (A) en m2:

60

Donde: D: Diámetro de la tubería L: Longitud del tramo a proteger

3.1.2. Cálculo del área desnuda (AB) en m2:

3.1.3.

Corriente de protección catódica requerida (io) por metro lineal de tubería en

mA/m:

Donde: id = densidad de corriente

61

3.2. Diseño del circuito 3.2.1. Cálculo del número de ánodos requeridos: Para obtener el número de ánodos se divide io entre 52 y redondeando al próximo entero (la salida máxima de diseño recomendada del ánodo polimérico es 52mA/m).

3.3. Cálculo del rectificador 3.3.1. Cálculo de la resistencia tubería- tierra (Rtt) en ohm (@Resistividad media):

Donde: Fr: Factor de resistividad Fln: Factor logarítmico Fg: Factor geométrico

3.3.1.1. Factor de Resistividad (Fr) en ohm (@resistividad media):

62

3.3.1.2.

Factor geométrico (Fg):

Donde: S: Doble profundidad a centro del tubo.

3.3.1.3. Factor Logarítmico (Fln):

3.3.2. Resistencia ánodo – tierra (Rat) en ohm (@resistividad media):

63

3.3.2.1. Factor geométrico (Fg2)

Donde: s: doble profundidad a centro del ánodo.

3.3.2.2. Factor logarítmico (Fln2)

d: diámetro del ánodo.

3.3.3. Resistencia de los cables (Rc) en ohm

64

Donde: Lc: Longitud del cable Resistencia del cable AWG#2 (cableado): 0,000532ohm/m Resistencia del cable AWG#6 (ánodo): 0,00135ohm/m

3.3.4. Resistencia del circuito en ohm (@resistividad media):

3.3.5. Corriente requerida (I) en A (@resistividad mínima):

3.3.6. Tensión requerida por el circuito (V) en voltios

65

3.3.7. Demanda total de corriente y voltaje del rectificador

3.3.7.1. Corriente + 50% (@resistividad minima):

3.3.7.2. Voltaje + 25% (@resistividad media):

Nota: Para calcular la demanda de corriente y tensión requerida para cada rectificador, se realizó este mismo cálculo para las tuberías por tramo de ánodo. Ejemplo, el rectificador 1 le suplirá corriente a 3 tramos de ánodos de longitudes 1000, 2000 y 2000m correspondientes a la región norte-sur del corredor y estos a su vez deberán proteger a las 3 tuberías que se encuentran en dicha región del corredor (tuberías de crudo, diluente y agua de procesos), por lo que se hizo una sumatoria de la demanda total de corriente y voltaje del rectificador por los 3 tramos de ánodos asociados a las 3 tuberías que conforman esta zona del corredor.

66

Apéndice 5. Densidades de corriente requeridas para protección catódica de acero (18).

67

Apéndice 6. Tabla de valores de eficiencia del revestimiento que deben ser considerados para determinar la superficie total a proteger.

68

Apéndice 7. Determinación de la agresividad del terreno (20).

69

Apéndice 8. Cotización ánodo polimérico

70

Apéndice 9. Cotización Lecho de ánodos hecho por la empresa Otepi Partida PC-01

Descripción Suministro e Instalación de la Estación

Und

Cant

P.U. BsF

Total BsF.

Und

3

137.679,6

413.038,8

Und

40

73.558,2

2.942.238

Rectificadora, rectificador, cajas de distribución de positivos y negativos, caja de interrupción, soportes para equipos, accesorios de acero galvanizado PC-02

Suministro e Instalación de Ánodos de Oxido De Metal Mezclado, incluye perforaciones de 0.40 m hasta 12 m., columna de cisco de coque de 5 m de altura, dos columnas de rellenos seleccionados debajo y encima del cisco de coque

71