evaluación de rellenos de coque para camas anódicas en sistemas

evaluación de rellenos de coque para camas anódicas en sistemas
EVALUACIÓN DE RELLENOS DE COQUE PARA CAMAS ANÓDICAS EN
SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
DARÍO HUMBERTO RUEDAS PACHECO
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO-QUÍMICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA
Bucaramanga
2004
EVALUACIÓN DE RELLENOS DE COQUE PARA CAMAS ANÓDICAS EN
SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
DARÍO HUMBERTO RUEDAS PACHECO
Informe final de la práctica empresarial realizada en la Corporación para la
Investigación de la Corrosión con el fin de optar al titulo de Ingeniero
Metalúrgico
Tutor:
Msc. CUSTODIO VASQUEZ
Cotutor:
Ing. CARLOS ALBERTO RODELO RUEDA
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO-QUÍMICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA
Bucaramanga
2004
2
NOTA DE ACEPTACIÓN
3
A mis padres Heriberto y Chiquinquirá,
por el apoyo que me han brindado.
A mi hermana Eslendy,
por su perseverancia
4
AGRADECIMIENTOS
Quiero expresar los más sinceros agradecimientos a:
Sandra Lucía Ballesteros Lancheros, por su apoyo incondicional, sus sabios
consejos, su dulzura y ser fuente de mi inspiración
Dora Lucía Lancheros por la confianza depositada
A los funcionarios de la Corporación para La Investigación de la Corrosión, por ser
mis maestros y mis amigos, en especial a los Ingenieros Omar Rodrigo Delgado y
Carlos Alberto Rodelo Rueda
MsC Custodio Vásquez, por su profesionalismo y pasión por la Corrosión
Pedro Martín Carvajal Jiménez, compañero incondicional y por su calidad humana
Wilmar González Rincón, mi amigo y consejero
Isaid Quintero Arévalo, por su sincera amistad
Al grupo Macrocosmo por sembrar en mí el espíritu docente
Y alguien que siempre que siempre ha confiado en mí: MI abuelo Silvano
Pacheco.
5
CONTENIDO
Pág.
1.1 OBJETIVO GENERAL ....................................................................................18
1.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...........................................................................18
3.1 PROPIEDAES QUÍMICAS DEL COQUE ........................................................23
3.1.1 Humedad ...................................................................................................23
3.1.2 Materia Volátil ............................................................................................23
3.1.3 Cenizas ......................................................................................................24
3.1.4 Azufre.........................................................................................................24
3.2 PROPIEDADES FÍSICAS DEL COQUE..........................................................24
3.2.1 Solidez .......................................................................................................24
3.2.2 Densidad....................................................................................................24
3.2.3 Porosidad...................................................................................................25
3.2.4 Color ..........................................................................................................25
3.2.5 Sonido........................................................................................................25
3.2.6 Reactividad ................................................................................................25
5.1 GRAFITO.........................................................................................................28
5.2 ACERO ............................................................................................................29
5.3 ACERO INOXIDABLE .....................................................................................30
5.4 HIERRO ...........................................................................................................30
5.5 HIERRO CON ALTO CONTENIDO DE SILICIO .............................................30
5.6 FUNDICIÓN DE HIERRO ................................................................................31
5.7 ALUMINIO .......................................................................................................32
5.8 ZINC ................................................................................................................32
5.9 PLATINO .........................................................................................................32
5.10 TITANIO PLATINIZADO................................................................................33
5.11 NIOBIO Y TANTALIO PLATINIZADO...........................................................33
5.12 ÁNODOS A BASE DE PLOMO.....................................................................34
6
6.1 ELECTRODO Ag/AgCl ...................................................................................39
7.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÒN DE UNA CAJA PARA MEDICIÓN DE
RESISTIVIDADES .................................................................................................40
7.2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÒN DE UNA CELDA PARA LA EVALUACIÓN DE
COQUES EN LABORATORIO..............................................................................41
7.2.1 Metodología para el diseño de la celda de ensayos en laboratorio ...........44
7.3 MONTAJE DE LOS COQUES EN LA CELDA DE ENSAYOS EN
LABORATORIO ....................................................................................................56
7.3.1 Cálculo de los parámetros de diseño .........................................................58
7.3.2 Especificaciones del ánodo de acero inoxidable empleado en el diseño...65
7.3.3 Tipos de rellenos empleados .....................................................................66
7.3.4 Especificaciones y consideraciones generales del ensayo........................67
7.3.5 Procedimiento de pruebas y puesta en marcha.........................................68
7.4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÒN DE UN SISTEMA DE PROTECCIÒN
CATÒDICA POR CORRIENTE IMPRESA A NIVEL DE LABORATORIO EN
CAMPO .................................................................................................................68
7.4.1 Cálculo de los parámetros de diseño .........................................................70
8.1 RESISTENCIA DE LAS CAMAS ANÓDICAS EMPLEANDO COQUE
LORESCO SC3 Y COQUE COLOMBIANO COMO RELLENO DE LAS CAMAS
ANÓDICAS A NIVEL DE LABORATORIO ...........................................................78
8.2 COMPORTAMIENTO DEL POTENCIAL DE LA ESTRUCTURA CON
RESPECTO AL ELECTRODO Ag/AgCl DURANTE EL ENSAYO.......................79
8.3 ANÁLISIS GRAVIMÉTRICO DE LOS RELLENOS EMPLEADOS EN LAS
CELDAS DE LABORATORIO...............................................................................80
8.4 RESISTENCIA DE LA CAMA ANÓDICA EMPLEANDO COQUE LORESCO
SC3 COMO RELLENO DE LAS CAMAS ANÓDICAS A NIVEL DE
LABORATORIO EN CAMPO. ...............................................................................81
8.5 COMPORTAMIENTO DEL POTENCIAL DE LA ESTRUCTURA CON
RESPECTO AL ELECTRODO Cu/CuSO4 DURANTE LOS PRIMEROS DÌAS DE
OPERACIÒN. ........................................................................................................82
7
LISTA DE TABLAS
Pág.
TABLA 1. DENSIDADES DE LOS RELLENOS
27
TABLA 2. RESISTIVIDAD DE LOS RELLENOS CARBONÁCEOS EN Ω*CM
27
TABLA 3. TASA DE CONSUMO DEL GRAFITO EN DIFERENTES AMBIENTES
29
TABLA 4. VELOCIDADES DE CORROSIÓN DEL PT Y TI PLATINIZADO
33
TABLA 5. COMPARACIÓN DE LOS VOLTAJES DE FALLA (V)
34
TABLA 6. DESEMPEÑO DEL ÁNODO EN DIVERSOS MEDIOS
34
TABLA 7. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS ÁNODOS PARA
CORRIENTE IMPRESA
36
TABLA. 7. (CONTINUACIÓN). CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS
ÁNODOS PARA CORRIENTE IMPRESA
37
TABLA 8 CARACTERÍSTICAS DEL CÁTODO
45
TABLA 9. CARACTERÍSTICAS DEL AGUA POTABLE DE PIEDECUESTA
48
TABLA 10. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO
57
TABLA 11. CARACTERÍSTICAS DE LA CAMA ANÓDICA
61
TABLA 12. RESISTENCIA ELÉCTRICA PARA LOS CABLES SEGÚN LA AWG 63
TABLA 13. PROPIEDADES DEL COQUE LORESCO SC3
66
TABLA 14. PROPIEDADES DEL COQUE COLOMBIANO
67
TABLA 15. PESO DE LAS MUESTRAS DE COQUE A EVALUAR
68
TABLA 16. CARACTERÍSTICAS DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO
69
TABLA 17. CARACTERÍSTICAS DE LA CAMA ANÓDICA
73
TABLA 18.PESO DE LOS COQUES PARA ANÁLISIS GRAVIMÉTRICO
80
TABLA 19. MONITOREO DE LAS CELDAS DE LABORATORIO PARA LOS
MONTAJES DE COQUE LORESCO SC3 Y COQUE COLOMBIANO
8
83
TABLA 19. (CONTINUACIÓN). MONITOREO DE LAS CELDAS DE
LABORATORIO PARA LOS MONTAJES DE COQUE LORESCO SC3 Y
COQUE COLOMBIANO
84
TABLA 20. MONITOREO DE LA CELDA DE LABORATORIO EN CAMPO
DURANTE LOS PRIMEROS DÍAS DEL ENSAYO.
9
86
LISTA DE FIGURAS
Pág.
FIGURA 1. CELDA DE CORROSIÓN MICROSCÓPICA
19
FIGURA 2. PROTECCIÓN CATÓDICA DE UNA ESTRUCTURA POR
CORRIENTE IMPRESA
21
FIGURA 3. CONFORMACIÓN DE UNA CAMA ANÓDICA
22
FIGURA .4. DESCRIPCIÓN DEL ELECTRODO AG/AGCL.
39
FIGURA 5. CIRCUITO ELÉCTRICO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN
CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA.
41
FIGURA 6 DIMENSIONES DE LA CELDA METÁLICA PARA ENSAYO
ACELERADO.
46
FIGURA 7. FORMA DEL ÁNODO DE ACERO INOXIDABLE.
52
FIGURA 8. CIRCUITO DE LA CELDA DE ENSAYO ACELERADO SIN
MEDICIÓN DE LA CORRIENTE DE PROTECCIÓN Y SISTEMA DE
MEDICIÓN DE POTENCIAL ESTRUCTURA/ELECTROLITO.
54
FIGURA 9. CIRCUITO DE LA CELDA DE ENSAYOS EN LABORATORIO CON
MEDICIÓN DE LA CORRIENTE DEL CIRCUITO.
54
FIGURA 10.ESTRUCTURA A PROTEGER
56
FIGURA 11 .DISPOSICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LA CAMA ANÓDICA.
60
FIGURA 12.ESTRUCTURA A PROTEGER
69
FIGURA 13. DISPOSICIÓN DEL EQUIPO PARA LA MEDICIÓN DE LA
RESISTENCIA ELÉCTRICA
71
FIGURA 14. .CORTE TRANSVERSAL DE LA CAMA ANÓDICA.
10
73
LISTA DE GRÁFICAS
Pág.
GRÁFICA 1. RESISTENCIA A LA POLARIZACIÓN
49
GRÁFICA 2. PENDIENTES TAFFEL
49
GRÁFICA 3 VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DE LAS CAMAS
ANÓDICAS EN LAS CELDAS DE LABORATORIO CON EL TRANSCURSO
DEL TIEMPO
85
GRÁFICA 4. VARIACIÓN DEL POTENCIAL DE LA ESTRUCTURA EN LAS
CELDAS DE LABORATORIO CON EL TRANSCURSO DEL TIEMPO
85
GRÁFICA 5. COMPORTAMIENTO DE RESISTENCIA DE LA CAMA ANÓDICA
DISEÑADA EN CAMPO DURANTE LOS PRIMEROS DÍAS DE LA PRUEBA.
87
GRÁFICA 6.GRADO DE POLARIZACIÒN DE LA ESTRUCTURA METÁLICA DEL
SISTEMA DISEÑADO EN CAMPO DURANTE LOS PRIMEROS DÍAS DE LA
PRUEBA.
87
11
LISTA DE FOTOGRAFÍAS
Pág.
FOTOGRAFÍA 1. FUENTE DE TENSIÓN 25 VDC 5 A.
53
FOTOGRAFÍA 2. DISPOSICIÓN FINAL PARA LA MEDICIÓN DE
RESISTIVIDADES.
98
FOTOGRAFÍA 3. DETALLE DEL PANEL DE CONTROL DEL EQUIPO PARA LA
MEDICIÓN DE RESISTIVIDADES
98
FOTOGRAFÍA 4. DISPOSICIÓN FINAL DE LAS DOS CELDAS EMPLEADAS EN
LABORATORIO
100
FOTOGRAFÍA 5. VISTA SUPERIOR DE LA CELDA DE LABORATORIO.
101
FOTOGRAFÍA 6. FORMA Y CARACTERÍSTICA DE LA CAMA ANÓDICA
101
FOTOGRAFÍA7.CONTROL DE LA RED DE SUMINISTRO DE AIRE PARA LAS
CELDAS DE LABORATORIO
102
FOTOGRAFÍA 8 MEDICIÓN DEL POTENCIAL DE LA ESTRUCTURA
EMPLEANDO EL ELECTRODO DE REFERENCIA AG/ AGCL
12
102
LISTA DE ANEXOS
Pág.
MANUAL DE INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN DE LA CAJA PARA MEDICIÓN
DE RESITIVIDADES
95
FOTOGRAFÍAS DE LA CELDA DE ENSAYOS Y ACCESORIOS DE
LABORATORIO PARA EVALUACIÓN DE RELLENOS DE COQUE.
13
100
RESUMEN DEL PROYECTO
TÍTULO: EVALUACIÓN DE RELLENOS DE COQUE PARA CAMAS ANÓDICAS EN SISTEMAS
DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA *
DARÍO HUMBERTO RUEDAS PACHECO**
PALABRAS CLAVES
¾
Cama anódica
¾
Corriente impresa
¾
Coque
¾
Celda electroquímica
¾
Resistencia eléctrica
El coque además de los usos tradicionales en metalurgia puede emplearse como material de
relleno en sistemas de protección catódica por corriente impresa. La industria nacional proporciona
un coque que no satisface plenamente las exigencias de los usuarios, razón por la cual esta
investigación formula un mecanismo que permite evaluar el desempeño del coque metalúrgico para
el relleno de las camas anódicas en los sistemas de protección catódica por corriente impresa
mediante la medición de resistencia eléctrica de la cama anódica.
Para el desarrollo de este proyecto se empleó una muestra de coque colombiano procedente del
departamento de Boyacá caracterizada mediante análisis último, densidad y resistividad eléctrica,
además, simultáneamente fue evaluada una muestra de coque Loresco SC3 bajo las mismas
condiciones de operación con el objetivo de establecer comparaciones en lo correspondiente al
cambio de la resistencia eléctrica en función del tiempo.
Las muestras de coque fueron sometidas a pruebas de simulación acelerada en una celda
electroquímica, donde se analizó el cambio de la resistencia eléctrica en función del tiempo.
Los resultados obtenidos reflejaron una diferencia significativa en el cambio de la resistencia
eléctrica de la cama anódica con el transcurso del tiempo, implicando un desgaste significativo en
la cama anódica empleando como relleno el coque, lo cual se traduce en una disminución de la
eficiencia del drenaje de corriente no deseable en sistemas de protección catódica por corriente
impresa.
*Trabajo de grado (Práctica empresarial)
**Facultad de Ingenierías Físico-Químicas,
Escuela de Ingeniería Metalúrgica
Director: Custodio Vásquez Quintero
14
TITLE: EVALUATION OF COKE FILLINGS FOR ANODIC BEDS OF CATHODIC PROTECTION
SYSTEMS BY PRINTED CURRENT*
DARIO HUMBERTO RUEDAS PACHECO**
KEY WORDS
•
•
•
•
•
Anodic bed.
Printed current.
Coke.
Electrochemical cell.
Electrical resistance.
Besides traditional coke uses in metallurgy, it can be as well used like material of stuffed in cathodic
protection systems by printed current. The national industry provides a coke that totally does not
satisfy the exigencies of its users, reason for which this investigation formulates a mechanism that
allows evaluating the performance of the metallurgical coke for the filling of anodic beds of cathodic
protection systems by printed current throughout measurement of electrical resistance of the anodic
bed.
For the development of this project it was used a Colombian coke sample coming from the
department of Boyacá, characterized by means of last analysis, density and electrical resistivity. In
addition, simultaneously it was evaluated a coke sample reference Loresco SC3 under the same
conditions of operation with the objective of establishing comparisons concerning the change of the
electrical resistance based on the time.
The coke samples were tested under simulation accelerated in an electrochemical cell, where the
change of the electrical resistance based on the time was analyzed.
The results obtained with this project reflected a significant difference in the change of the electrical
resistance of the anodic bed with the course of the time, implying a significant wear away of the
anodic bed using the coke like stuffed, which is translated in a diminution of the efficiency of the
drainage of non desirable current in cathodic protection systems by printed current.
* Project (Practical internship)
**Facultad de Ingenierías Físico-Químicas,
Escuela de Ingeniería Metalúrgica
Director: Custodio Vásquez Quintero
15
INTRODUCCIÓN
La corrosión es un fenómeno electroquímico e irreversible que ataca a los
materiales, especialmente los materiales metálicos que se encuentran expuestos a
un medio ambiente electrolítico, afortunadamente existen varios mecanismos para
tratar de minimizar su impacto y prolongar la vida útil. Estos mecanismos pueden
implementarse individualmente o combinados para obtener un mejor grado de
protección contra la corrosión.
Uno de ellos es la protección catódica por corriente impresa, que requiere de una
fuente externa de corriente directa y un ánodo o cama anódica que permita el
drenaje de la corriente de protección.
Uno de los componentes principales es la cama anódica, compuesta por ánodos y
el relleno de coque. El coque es conductor y transfiere la corriente del ánodo al
electrolito. La eficiencia y desempeño en el tiempo de la cama anódica está
determinada principalmente por el relleno de coque que rodea el ánodo, el cual
debe tener apropiadas características fisicoquímicas y brindar una baja
resistencia. Un relleno de malas características ocasiona daños al ánodo,
taponamiento de la interfase ánodo/relleno aumentando la resistencia, lo que
conlleva a la pérdida de eficiencia, disminución de la capacidad para drenar
corriente y de esta manera una falla en todo el sistema de protección catódica.
Finalmente se arriesga la integridad de la infraestructura y se generan altos costos
por mantenimiento.
El coque tradicionalmente se emplea en la industria siderúrgica, para la
producción de acero, otras pequeñas cantidades se usan para fundiciones
especiales. En los últimos años, el coque colombiano ha entrado a competir
concoques importados en el uso como relleno en protección catódica.
16
Desafortunadamente no existen parámetros establecidos para determinar la
calidad de sus propiedades electroquímicas que aseguren su permanencia en el
mercado. Esta incertidumbre ha llevado a que muchas de las grandes empresas
Colombianas tanto petroleras como petroquímicas, prefieran seguir importando
este producto.
El siguiente informe formula un mecanismo que permite evaluar el desempeño del
coque metalúrgico para el relleno de las camas anódicas en los sistemas de
protección catódica por corriente impresa mediante la medición de resistencia
eléctrica de la cama anódica. Los resultados se traducirán en una metodología
que conduzca a valorar la calidad del coque nacional para este tipo de aplicación.
17
1. OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
o Evaluar muestras de coque para relleno de camas anódicas en sistemas de
protección catódica por corriente impresa utilizando mediciones de
resistencia eléctrica de la cama anódica.
1.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
o Establecer la metodología para la evaluación de rellenos de coque en
laboratorio
o Diseñar y construir una celda para medición de resistividades de los coques
y electrolitos empleados en protección catódica a nivel de laboratorio.
o Diseñar y construir celdas de ensayos acelerados para evaluación de
rellenos de coque.
o Diseñar y construir un sistema de protección catódica por corriente impresa
en campo.
18
2. PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
En las estructuras enterradas los recubrimientos son la primera línea de defensa
en muchos programas de control contra la corrosión [1], desafortunadamente, los
recubrimientos poseen defectologías y ocurre corrosión acelerada en las zonas
donde falla el recubrimiento, la protección catódica es utilizada para prevenir
corrosión del sustrato de acero en dichos lugares.
Como lo muestra la figura 1, el área donde la corrosión se presenta es llamada
anódica lo que significa que ella esta descargando una corriente de corrosión a un
electrolito conductivo. Cuando la corriente sale de la superficie de la tubería
metálica hacia el electrolito, es asociada a la pérdida de metal, y el tubo sufre
deterioro corrosivo. De otra manera, cuando la corriente fluye desde un medio
ambiente electrolítico hacia la superficie de la tubería es un área catódica, no hay
daño corrosivo [2].
Figura 1. Celda de Corrosión Microscópica
Cátodo
Ánodo
19
Existe una forma de convertir todas las áreas anódicas de la superficie de un tubo
enterrado o sumergido en áreas catódicas libre de corrosión, esto se logra
mediante un apropiado diseño, instalación y mantenimiento de un sistema de
protección catódica. Básicamente, este se hace utilizando alguna fuente externa
de corriente directa para neutralizar y contrarrestar la descarga natural de
corriente de corrosión desde las áreas anódicas
Entonces, un sistema de protección catódica, aunque mantiene la superficie de la
estructura protegida libre de corrosión, no elimina la corrosión, transfiere el efecto
corrosivo desde las estructuras tales como tuberías a un lugar conocido (la puesta
a tierra) donde los reemplazos deben ser realizados periódicamente (10 a 15 años
o más) sin afectar la operación de la estructura.
Existen dos tipos de protección catódica, estos son: sistemas de ánodos
galvánicos o sacrificio que generan su propia energía eléctrica para protección y
los sistemas de corriente impresa que requiere de una fuente de energía externa
como se aprecia en la figura 2.
Los ánodos utilizados en un sistema de corriente impresa son usualmente
construidos de un material relativamente inerte, porque estos materiales se
corroen a una muy baja velocidad de corrosión, comparados con las velocidades
de corrosión de los materiales de los ánodos galvánicos. En la figura 3 se ilustra la
conformación de la cama anódica.
Los ánodos de corriente impresa son generalmente rellenados con coque
metalúrgico y el coque calcinado de petróleo, este relleno sirve para tres
propósitos:
20
Figura 2. Protección catódica de una estructura por corriente impresa
:
Ánodo
Cátodo
Electrolito
Corriente Eléctrica Aplicada a
Protección Catódica
Ánodo de Protección
Catódica
•
Reducir la resistencia ánodo a tierra
•
Incrementar la capacidad de corriente de salida del ánodo por extensión del
área de la superficie del ánodo.
•
Prolongar la duración de vida de los ánodos [3,4].
El criterio ideal para el diseño de un sistema de protección catódica es que
suministre el grado de protección requerido al mínimo costo total anual sobre la
vida proyectada de la estructura protegida [5]. Estos costos totales anuales se
refieren a la suma de los costos por potencia y mantenimiento, que son
directamente proporcionales al comportamiento y eficiencia de la resistencia de la
cama anódica.
21
Figura 3. Conformación de una cama anódica
Tierra
Conductor
Ánodo
Relleno
Las grandes empresas proveedoras de coque para relleno de las camas anódicas
manejan sus propios procedimientos y técnicas para su producción, y, a nivel
internacional los desarrollos en este campo son generalmente empíricos, por
tanto, la información al respecto es limitada.
22
3. EL COQUE
El coque se define como el producto sólido de la destilación a alta temperatura de
un carbón o mezcla de carbones (generalmente bituminosos), al cual se le elimina
el contenido de volátiles, incrementando el carbono fijo, con o sin adición de otros
materiales. Al proceso también se le llama carbonización.
El proceso se realiza con base en una destilación seca y el producto residual que
se obtiene es un compuesto poroso, de propiedades físicas y químicas
específicas. Algunas de las propiedades químicas del coque se describen a
continuación:
3.1 PROPIEDAES QUÍMICAS DEL COQUE
3.1.1 Humedad
El contenido de humedad en coque varía según el sistema de apagado y las
propiedades físicas de este, por lo tanto esta no depende de la humedad del
carbón, ni de las condiciones de coquización. La humedad del coque constituye un
inerte que reduce el contenido de carbono, y por lo tanto el poder calorífico del
coque.
3.1.2 Materia Volátil
El contenido de materia volátil en el coque es despreciable, si las hay provienen
de sustancias que durante la coquización no han sufrido un rompimiento térmico
completo, debido a la temperatura insuficiente alcanzada en el horno. Este
principio es más significativo en los hornos de pampa y de colmena.
23
3.1.3 Cenizas
Constituyen la parte incombustible del coque y provienen de la materia mineral del
carbón de origen. Constituyen un inerte que disminuye el contenido de carbono y
el poder calorífico. Las cenizas del coque están constituidas por sílice (40-50%) y
por cantidades menores de cal, óxido de titanio, álcalis, anhídrido sulfúrico y
fosfórico.
3.1.4 Azufre
Es perjudicial en cualquier empleo del coque y las cantidades toleradas son muy
pequeñas.
3.2 PROPIEDADES FÍSICAS DEL COQUE
Las principales propiedades físicas del coque se describen a continuación
3.2.1 Solidez
Es la resistencia que presenta el coque a sufrir fracturamiento y abrasividad. Estas
son producidas por falta de cohesión y generación de polvo por rozamiento. La
fragilidad del coque es debida principalmente a su estado de fisuración, en tanto
que la abrasividad es consecuencia de una fusión insuficiente.
3.2.2 Densidad
Está relacionada con el volumen que ocupe el coque en el alto horno. Puede
determinarse la densidad real de coque pulverizado, donde se elimina la influencia
de la porosidad y la densidad aparente de trozos de coque.
24
3.2.3 Porosidad
Influye en la reactividad del coque por la distribución y tamaño de los poros, así
como por el espesor de sus paredes y la comunicación que hay entre ellos. El
tamaño está relacionado con la adsorción de gases en el alto horno.
Generalmente los poros en el coque son clasificados de acuerdo a su tamaño en
tres tipos: macro poros > 50 nm de ancho, meso-poros de 2 a 50 nm de ancho y
micro poros < 2 nm de ancho.
3.2.4 Color
El coque tendrá un color negruzco si se ha apagado con agua y lo será más
cuanta más agua contenga; tendrá un color gris claro o plateado si no ha estado
en contacto con el agua; el buen coque metalúrgico es de color gris metálico.
3.2.5 Sonido
Al golpear un trozo de coque se aprecia un sonido metálico seco, que corresponde
a un buen coque; si el sonido es sordo y apagado su calidad es mala, es decir que
su coquización no ha sido completa.
3.2.6 Reactividad:
Se define como la velocidad del coque en presencia de un gas reactante como
dióxido de carbono, oxígeno, hidrógeno o vapor de agua.
Comúnmente, la reactividad de un coque se mide como la pérdida en peso que
experimenta cuando reacciona con CO2 bajo condiciones operacionales de tiempo
y temperatura controladas.
25
4. CARACTERISTICAS DE LOS RELLENOS DE LAS CAMAS ANÒDICAS
Los rellenos de coque son usados principalmente con el objetivo de extender el
área superficial de la cama anódica, bajar la resistencia de la cama anódica,
mejorar el contacto entre el ánodo y la tierra o electrolito, permitir la difusión de los
gases producidos en las reacciones anódicas y minimizar el ataque selectivo de
los ánodos.
En ocasiones, se agregan sustancias químicas como carbonatos de calcio en
proporciones cercanas al 10%, con el fin de contrarrestar la pérdida de humedad
por efecto de la electro-osmosis. La electro-osmosis es el movimiento de agua a
través del suelo como resultado a un gradiente de potencial, por tanto, es esencial
la presencia de un electrolito acuoso para conducir la corriente de protección a la
estructura.
La electroquímica y naturaleza física del coque conlleva a la formación de CO2 y
O2 sobre una gran área superficial, reduciendo el desgaste prematuro del ánodo.
El coque es oxidado en primera instancia a CO2 , el cual, si la cama es adecuada
permite el escape de este gas a la atmósfera al igual que el oxigeno. Si todo el
oxigeno reacciona, la velocidad de consumo del relleno es de 1 Kg/A-Año, sin
embargo, en la práctica el consumo es de solamente 0,25 Kg/A-Año.
En la tabla 1 y 2 se señalan las densidades típicas de rellenos para camas
anódicas y el comportamiento de la resistividad del relleno con respecto a la
influencia de variables como la humedad y la compactación, respectivamente.
.
26
Tabla 1. Densidades de los rellenos
Relleno
Densidad (Kg./m3)
Coque metalúrgico
650 – 800
Coque calcinado de petróleo
700 – 1100
Grafito natural
1100 – 1300
Tabla 2. Resistividad de los rellenos carbonáceos en Ω*cm.
Relleno
Seco
Compactado
Húmedo
Coque metalúrgico
55
45
15
Grafito granular
150
120
20
.
A nivel nacional se han realizado diversos estudios e investigaciones en torno a
los carbones coquizables en la obtención de coque metalúrgico a nivel de
laboratorio para su uso en sistemas de protección catódica, E. Mogollón [6] logro
un coque conductivo con mezclas de carbón y brea nacionales, alcanzando
valores de resistividad de la muestra de coque, hasta de 2 Ω*cm.
27
5. CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS ÁNODOS EMPLEADOS EN
PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
Para realizar un diseño y montaje de un sistema de protección catódica por
corriente impresa, se emplean diversos tipos de ánodos que difieren en
características tales como: la composición química, velocidad de consumo,
dimensiones, eficiencia, costos, entre otros.
Para conocer en forma general las características de los ánodos empleados en
protección catódica
a continuación se presenta una breve descripción de los
mismos.
5.1 GRAFITO
El desempeño del grafito en agua de mar, donde el cloro es el principal gas
presente, es considerablemente mejor que en agua fresca donde el oxigeno es
producido libremente debido a que el grafito es inmune a los cloruros.
En la práctica comúnmente el grafito es impregnado con aceite de linaza o resinas
sintéticas comerciales. El objetivo de esta técnica es reducir la porosidad y de esta
manera, inhibir la evolución de gas en las áreas subsuperficiales que pueden
iniciar el desgaste y la falla prematura del mismo. El imprégnate ideal será aquel
que tenga, una tasa de descomposición similar a la del, grafito, así por ejemplo si
la velocidad de descomposición de este es inferior a la del grafito, origina un
aumento de la resistencia en la superficie del ánodo y la densidad de la corriente
drenada, que conduce a un deterioro acelerado.
La acidez tiende a incrementar la velocidad de descomposición del ánodo, de igual
manera la presencia de iones sulfatos; estos factores pueden ser controlados
teniendo en cuenta el ambiente de trabajo y tratamientos químicos de los rellenos.
28
El ánodo de grafito no es recomendado para usos a temperaturas superiores a
50°C, donde el consumo se incrementa sustancialmente.
La tabla 3 muestra algunos resultados obtenidos con grafito bajo condiciones
diferentes.
Los resultados fueron obtenidos con una instalación particular usando un ánodo
de 1 m de longitud y 100 mm de diámetro operando a 0.69 mA/ cm2 y estimando
una vida de 20 años [7] .
Tabla 3. Tasa de consumo del grafito en diferentes ambientes
Densidad de corriente
Ambiente
Consumo (Kg/A-año)
Relleno
0.9
<= 1.08
Agua caliente
0.9
----
Agua de mar
0.045
0.43-10.7
Agua fresca
0.45
0.35
Lodo
1.36
3.24
(m A/cm2)
5.2 ACERO
El acero fue uno de los primeros materiales utilizados en protección catódica por
corriente impresa. Son económicos y satisfactorios para grandes geometrías.
Estos ánodos tienden a aumentar la resistencia a la polarización debido a la
formación de voluminosos productos de corrosión particularmente cuando se
encuentran inmersos o enterrados, esto puede contrarrestarse cubriendo el ánodo
con relleno carbonáceo.
29
El problema de la alta resistencia a la polarización puede disminuir con un
incremento del nivel de salinidad como sucede la inmersión en agua de mar donde
estos ánodos son particularmente útiles.
Una ventaja de los ánodos de acero es la baja gasificación del electrodo durante la
operación ( la reacción predominante es la corrosión del hierro ) que ejerce
influencia en la resistencia a la polarización debido al bloqueo por gases que a
menudo se presenta cuando se usan materiales más inertes.
5.3 ACERO INOXIDABLE
El acero inoxidable ha sido probado como un ánodo inerte, principalmente bajo
condiciones de laboratorio dando como resultado éxitos parciales. A bajas
densidades de corriente en agua fresca la mayoría de estas aleaciones sufren falla
por picado, si embargo existen otras que muestran habilidad para pasivarse a
bajas densidades de corriente.
5.4 HIERRO
El hierro es usado para fabricar platos galvánicos en intercambiadores de calor,
particularmente para aplicaciones marinas. El hierro puede ser usado como ánodo
de corriente impresa en forma similar al acero.
5.5 HIERRO CON ALTO CONTENIDO DE SILICIO
Estos ánodos presentan un desempeño similar al grafito cuando se usan con
rellenos carbonáceos, pero es superior en ausencia de este último en suelos de
baja resistividad.
Este tipo de ánodo permite el uso de densidades de corriente
más altas en
comparación con el ánodo de grafito a una tasa de consumo similar. La
composición química típica de los ánodos es: 4.4% Si, 0.7% Mn, 0.95% C y el
remanente de Fe.
30
La superficie tiene una porosidad del 50% y con un contenido de 75% de dióxido
de Silicio que es un buen conductor electrónico. Cuando son enterrados tienden a
aumentar la resistencia en la superficie, pero no afectan significativamente el
desempeño, por lo general estos cambios en la resistencia son debidos a la
polarización gaseosa (bloqueo por gases) causados por deficiente ventilación o un
relleno inadecuado.
Los ánodos de hierro con alto contenido de silicio son atacados por iones
halógenos causándoles picado, por tal razón se debe evitar el uso en agua de
mar.
Son apropiados para agua fresca con menos de 200 ppm de iones cloruros y a
temperaturas inferiores a 38ºC. Además es importante señalar que la adición de
molibdeno o cromo a esta aleación mejora el desempeño e ambientes que no
cumplan con las condiciones anteriormente mencionadas.
La tasa de consumo depende de la densidad de corriente; experiencias en agua
fresca señalan que el consumo aproximado es de 0.5 Kg/A-año.
La correcta instalación de un relleno carbonáceo y la ausencia de cloruros pueden
disminuir el consumo a 0.25 Kg./A-año, pero si el ánodo es enterrado directamente
en el suelo la tasa de consumo se incrementa a 1 Kg/A*año.
5.6 FUNDICIÓN DE HIERRO
La fundición de Hierro puede ser usada bajo circunstancias similares a las del
acero, pero con propiedades mecánicas inferiores.
Los ánodos pueden estar protegidos con una película de grafito para disminuir la
tasa de consumo (la evolución de gases ocurrirá en la superficie del grafito), sin
31
embargo, si la capa de grafito sufre una ligera fractura, las partículas de grafito
pueden causar corrosión localizada al ánodo.
5.7 ALUMINIO
Este ánodo se ha usado extensivamente para la protección de tanques para
almacenamiento de agua fresca. Las aleaciones H14 y H15 son usadas para este
propósito, el Aluminio puro se prefiere para ambientes marinos.
En agua fresca los productos de corrosión (generalmente Hidróxido de Aluminio)
puede causar un gran incremento de la resistencia ánodo/electrolito, esta podría
duplicarse o incrementarse en mayores proporciones, originando un aumento en
las densidades de corriente en algunas zonas que conlleva al consumo localizado
del ánodo. En agua de mar la resistencia a la polarización es insignificante.
Teóricamente el consumo de estos ánodos está en el orden de 6.4 Kg/A-año, pero
en la práctica el consumo aproximado es de 4.5 Kg/A-año, sin embargo en los
diseños son utilizados factores de seguridad para garantizar la integridad del
ánodo.
5.8 ZINC
En sistemas de protección catódica por corriente impresa, la tasa de consumo es
de aproximadamente 10.8 Kg/ A-año, y, una eficiencia del 90% cuando son
usados como ánodos de sacrificio.
5.9 PLATINO
Las propiedades del platino como electrodo inerte en diversos procesos
electrolíticos son bien conocidas. Estudios realizados en Estados Unidos en 1953
indican las siguientes tasas de consumo del platino y sus aleaciones:
Pt, Pt-12Pd, Pt-5Ru, Pt-10Ru, Pt-5Rh, Pt-5Ir, Pt-10Ir oscilan entre 6 y 7mg/A-año.
32
5.10 TITANIO PLATINIZADO
El titanio es intrínsecamente un metal muy reactivo, presentando una fuerte
tendencia a pasivarse. Cuando es expuesto a soluciones con cloruros, forma una
película de TiO2 (rutilo) que presenta una alta resistividad eléctrica, haciendo de
este un ánodo inadecuado en dichos medios.
El titanio platinizado se fundamenta en el aprovechamiento del carácter inerte y
conductividad eléctrica del platino, este es aplicado en delgadas capas (0.0025
mm). La ventaja de este ánodo radica en la posibilidad de utilizarse en protección
catódica de superficies sumergidas y en condiciones de hasta 500 mA / cm2.
Las velocidades de corrosión del platino y el titanio platinizado son descritas en la
tabla 4.
Tabla 4. Velocidades de corrosión del Pt y Ti platinizado
Velocidad de corrosión (mg/A*-
Condición
año)
Pt puro en agua de mar 54-540 mA /cm2
Pt-Titanio en agua de mar 130 mA /cm2,
Temperatura 0-15ºC
6-7
8.76
5.11 NIOBIO Y TANTALIO PLATINIZADO
El principio de estos ánodos es similar al del titanio platinizado. El niobio y el
tantalio son metales que forman capas de óxidos dieléctricos, son más costosos
que el titanio platinizado, pero a su vez, son más eficientes cuando se requiere un
alto voltaje.
Algunos de estos ánodos han fallado a diferentes voltajes en diversos ambientes,
tal como lo describe la tabla 3
33
Tabla 5. Comparación de los voltajes de falla (V)
Solución
Ti
Nb
Ta
Agua de mar
9
115
155
Sulfatos/carbonatos
60
255
280
Fosfatos/boratos
80
250
280
.
5.12 ÁNODOS A BASE DE PLOMO
Los principales usos de estos materiales son los ambientes marinos. Varias
aleaciones de Pb han sido estudiadas en soluciones salinas arrojando los
siguientes resultados: el Pb puro falla en este medio, pb + 6 a 8 Sb requiere más
de 20 m A/ cm2 para pasivarse.
La aleación más comercial y ampliamente usada es Pb-6Sb-1Ag. La tabla 4
resume el comportamiento de estos ánodos:
Tabla 6. Desempeño del ánodo en diversos medios
Resistividad del
Consumo promedio a
electrolito a 35ºC
10.8 mA /cm2
(Ω*cm)
(Kg/A-año)
16.3 (mar)
0.086
236
16.3 (NaCl)
1.99
1.75
50 (mar)
0.0145
236
50(NaCl)
0.654
1.75
1000(mar)
23.80
5.75
1000(NaCl)
23.70
1.75
5000(mar)
0.10
236
5000(NaCl)
11.64
1.75
34
Tiempo de prueba
(días)
La tabla 7 presenta un resumen general de las características de los ánodos
descritos anteriormente permitiendo establecer comparaciones y la posibilidad de
seleccionar correctamente el ánodo para un diseño determinado [7].
35
Tabla 7. Características generales de los ánodos para corriente impresa.
CARACTERÍSTICAS
GRAFITO
Tasa de consumo (Kg/A-Año)
Máx. densidad de
corriente recomendada
(mA/cm2 )
Agua de mar
Agua fresca
Suelo
-6
Resistividad específica a 20°C (Ω*cm*10 )
Densidad (g/cm3 )
Resistencia a la tensión aprox.
(Kgf-cm2 )
0.1-1.0
B
3
0.25
1
A
700
1.56-1.67
280
ACERO
Fe
6.8-9.1
9.5
L
L
L
L
0.25-1.0
B
---12
0.5
0.5
17
7.7
5000
Agua de mar
Agua potable
Con relleno carbonáceo
SI
SI
SI
130160HB
SI
NO*
SI
Directamente en el suelo
NO(N)
NO(N)
Dureza (aprox.)
----
Fe con
alto
contenido
de Si
Fundición de Fe
Fe-Cr con alto
contenido de
Si
Al
L
L
0.25-1.0
B
12
12
6
0.5
6
0.25
12
7.82
72
7
55
7.1
72
7
3.3
2.7
3000
1300
1500
1100
850
120-170HB
450HB
140-170HB
520HB
----
SI
NO
SI
NO
SI
SI
SI
NO
SI
SI
NO(N)
SI
NO(N)
SI
NO
NO(N)
SI
NO(N)
SI
NO(N)
4.5-6.8
4.5
2
2
Usos
*no aplica para aceros inoxidables (ver propiedades del acero inoxidable)
36
Tabla. 7. (Continuación). Características generales de los ánodos para corriente impresa.
CARACTERÍSTICAS
Tasa de consumo
(Kg/A-Año)
Agua de
mar
Máx. densidad
de corriente
Agua
recomendada
fresca
(mA/cm2 )
Suelo
Resistividad específica a
20°C (Ω*cm*10-6 )
Densidad (g/cm3 )
Resistencia a la tensión
aprox. (Kgf-cm2 )
Dureza (aprox.)
Usos
Agua de mar
Agua potable
Con relleno
carbonáceo
Directamente
en el suelo
0.09
B
50
E
Pb6Sb1Ag
0.09
B
20
E
H
----
----
B
B
48.2
15.2
12.5
4.51
8.57
16.6
---22
F
11.3
---25
F
10.9
4700-6300
2400-3900
3500-12600
250
300
----
75-95 HV
80-100 HV
4HB
SI
SI
SI
NO(N)
SI
NO(N)
SI
NO
10.713HB
SI
NO
NO(N)
NO(N)
NO(N)
NO(N)
NO
NO
NO(N)
NO(N)
NO(N)
NO(N)
NO
NO
ZINC
PLATINO
TITANIO
PLATINIZADO
NIOBIO
PLATINIZADO
TANTALO
PLATINIZADO
10.8
8.63*10-6
B
B
B
B
2
B
H
H
H
2
B
H
H
0.25
B
B
6.2
9.85
7.1
SI
NO
21.45
2500
K
200400HV J
NO(N)
NO(N)
NO
NO(N)
--------
A-Usado con relleno carbonáceo, ver características generales. E-mínima densidad de corriente para pasivación 5mA /cm2
B-Ver características generales de los ánodos.
F-Resistividad del PbO2 40-50 Ω*c
C-normal máxima en dirección longitudinal.
J-Electrodepositado
H-40 mA / cm2 por micrómetro de Pt
N-Usado en circunstancias especiales
L-No limitada para aguas en movimiento.
Fuente: SHREIR, L. L.,Corrosion V 2. Corrosion Control. Newnes – Buttewrworths. London.
37
PLOMOPLATINO
6. CRITERIOS PARA PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA
Aunque en protección catódica se hable de una corriente de protección requerida
para lograrla, el único parámetro que asegura su protección es el de potencial de
la estructura en todas sus partes. Las razones por las cuales se considera a la
corriente como un indicador de protección no muy confiable son esencialmente
materias de discusión.
Los valores de potencial recomendados son del tipo de material a proteger. Se ha
establecido que para el hierro y acero enterrados, el potencial debe ser de –0,850
VDC relativos al electrodo Cu/CuSO4 o –0,800 VDC con respecto al electrodo
Ag/AgCl, si el electrolito es agua de mar. En suelos anaeróbicos o aguas que
contienen bacteria sulfatos reductoras se recomienda para el acero –0,950 VDC
con respecto al electrodo Cu/CuSO4 por la posibilidad de protección bacteriana.
También es aceptado el criterio de un negativo cambio de potencial de 300 mV
con respecto al potencial de corrosión natural de la estructura, bajo condiciones
aeróbicas, incrementándose en 100 mV más negativos para condiciones
anaeróbicas.
Otro criterio aceptado, es el una mínima polarización negativa de 100 mV con
respecto al potencial natural o libre, medidos inmediatamente después de
desconectar la protección (instant off) y de 150 mV, para condiciones anaeróbicas.
Para los ensayos en laboratorio se utilizó como electrodo de referencia el de
Ag/AgCl
y
a
continuación
se
hará
38
una
breve
descripción
[8]
6.1 ELECTRODO Ag/AgCl
Consiste de un alambre de plata cubierto con AgCl sumergido en una solución que
contiene iones cloruros Cl-.
La reacción de equilibrio es:
AgCl (s) + e-
Ag (s) + Cl-.
A 25 C se tiene:
E eq = 0,222 – 0,0591 log [a] Cl-.
Donde [a] es la actividad de la especie
En una solución 1 M de KCl el potencial del electrodo es 0,222 Voltios.
Figura .4. Descripción del electrodo Ag/AgCl.
Cable de Ag
S/n saturada de AgCl/KCl
AgCl
39
7. DESARROLLO EXPERIMENTAL
Para lograr los objetivos propuestos se desarrollaron las actividades que se
describen a continuación:
7.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÒN DE UNA CAJA PARA MEDICIÓN DE
RESISTIVIDADES
La resistividad de un material es una propiedad de tipo eléctrico, y guarda una
relación directa con la resistencia que presenta dicho medio al paso de cargas
iónicas y eléctricas que en su defecto, depende de las propiedades y los
elementos característicos de cada material, tales como sulfatos, sales, contenido
de humedad, compactación, entre otros.
La medición de la resistividad de un electrolito desempeña un papel muy
importante en el diseño y construcción de un sistema de protección catódica. Para
la evaluación de rellenos de coque a nivel de laboratorio, la medición de la
resistividad es un parámetro que debe evaluarse con el objeto de analizar las
propiedades conductoras del relleno, y la resistividad del electrolito a emplearse,
por tal razón, la construcción de una caja de medición de resistividades se
convierte en una actividad indispensable para dichos propósitos
.
Para realizar la medición de resistividad de diferentes tipos de muestras se
requiere contar con los siguientes equipos y elementos:
•
Equipo medidor de resistencia eléctrica
•
Caja de resistividades.
•
Cables de conexionado.
40
Los parámetros de diseño, construcción y procedimiento de operación son
contemplados en el anexo A.
7.2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÒN DE UNA CELDA PARA LA EVALUACIÓN DE
COQUES EN LABORATORIO
Un sistema de protección catódica por corriente impresa se asume como un
circuito eléctrico, que consta de los siguientes elementos: Cátodo, cama anódica,
electrolito, conductor metálico y una fuente de tensión (Figura 5). Con el fin de
realizar ensayos acelerados en laboratorio para evaluar el desempeño de los
rellenos de coque mediante la medición de su resistencia eléctrica con respecto al
tiempo, se propone el diseño y selección a escala de cada uno de estos
elementos.
Figura 5. Circuito eléctrico del sistema de protección catódica por corriente
impresa.
R e.m
R c.a
Rf
+ -
R c.c
Ra
i
R re
Re
Del circuito eléctrico mostrado en la Figura 5, se tiene:
41
Rc
Rf :
Resistencia de la fuente.
Rcc : Resistencia del cable del cátodo.
Rc :
Resistencia del cátodo.
Re :
Resistencia del electrolito.
Rre
Resistencia del relleno.
Ra :
Resistencia del ánodo.
Rem : Resistencia del equipo de medición.
Rca : Resistencia del cable del ánodo.
De acuerdo a la Ley de Ohm,
V = Ip × Rt
(Ecuación 1)
Donde:
V:
Tensión de salida de la fuente.
Ip:
Corriente de protección.
Rt:
Resistencia total del sistema de protección catódica.
La resistencia total es la suma de cada una de las resistencias de los elementos
en serie que componen el circuito del sistema de protección catódica, tal como lo
señala la ecuación 2
R t = R f + R cc + R c + R e + R re + R a + Re m + R ca (Ecuación 2)
La anterior expresión puede simplificarse, de la siguiente manera:
R t = R c + Re m + R ca + Rcama
(Ecuación 3)
Donde se tiene que:
42
Rc: Resistencia de las longitudes totales de los cables
Rem: Resistencia del equipo de medición
Rca: Resistencia del cátodo
Rcama: Resistencia de la cama anódica
Luego, conociendo la resistencia total del circuito se puede calcular la resistencia
de la cama anódica a partir de la ecuación 3, de la siguiente manera:
R cama = R t − ( R c + Re m + R ca)
(Ecuación 4)
Lo anterior se fundamenta teniendo en cuenta la expresión propuesta por Dwight
(ecuación 5), en la cual se relaciona la resistividad del suelo en la interfase de la
cama anódica y se asume él ánodo y el relleno como un sólo elemento al que se
denomina cama anódica. También se debe señalar que la resistencia de la fuente
de corriente representa un aporte numéricamente pequeño, por tal razón se
consideró despreciable en comparación con las demás resistencias que
constituyen el circuito.
Rv =
0,159 × ρ ⎡ 8 L ⎤
⎢ Ln D −1⎥
L
⎦
⎣
(Ecuación 5)
Donde:
Rv:
Resistencia de la cama anódica en posición vertical (Ω).
L:
Longitud total de la cama anódica (cm).
D:
Diámetro total de la cama anódica (cm).
ρ:
Resistividad del suelo (Ω* cm.).
Al analizar la expresión anterior se encuentra que la resistencia de la cama
anódica depende de la geometría del ánodo y del relleno
43
Cuando la cama anódica esta en operación, tenderá a sufrir variaciones por
diversos factores como la densidad de corriente drenada, la naturaleza del
electrolito, entre otras, que generaran diferentes reacciones en el relleno, que
influirán en un posible incremento de la resistencia eléctrica, afectando de esta
manera el sistema de protección.
Al paso de la corriente de protección se oponen diversas resistencias dadas en la
ecuación 3. En los ensayos a realizar en laboratorio, las resistencias del cátodo,
cables, equipos de medición, electrolito y el ánodo permanecerán constantes,
permitiendo de esta manera conocer la resistencia de la cama anódica de acuerdo
a la ecuación 4
7.2.1 Metodología para el diseño de la celda de ensayos en laboratorio
Para el diseño de la celda de ensayos acelerados se siguió la siguiente
metodología:
Selección del cátodo
Acondicionamiento de
accesorios
Selección del
electrolito
Diseño del circuito
Selección del ánodo
Selección de la fuente
a. Selección del cátodo
Para la selección del cátodo fueron consideradas los siguientes factores:
44
o
Material
Cómo material catódico fue seleccionado un segmento de tubería de acero API
5LX-56, [9] teniendo en cuenta que es uno de los materiales empleados para la
construcción de líneas de transporte de gas e hidrocarburos.
Las características generales de dicho material son descritas en la tabla 8
Tabla 8 Características del cátodo
Característica
Valor mínimo
Valor máximo
Composición
Carbono
0.26%
química
Manganeso
1.35%
Fósforo
0.030%
Azufre
0.030%
Propiedades mecánicas
56000 PSI
Esfuerzo de fluencia
386MPa
71000 PSI
Resistencia última a la tracción
o
489MPa
Dimensiones
Para realizar las pruebas simuladas de sistemas de protección catódica por
corriente impresa a nivel de laboratorio, se asume un área de superficie a proteger
aproximadamente de 0,8 m2, las dimensiones de la celda metálica se especifican
en la figura. 6.
45
Figura 6 Dimensiones de la celda metálica para ensayo acelerado.
H = 55 cm.
D = 41 cm.
o
Construcción del recipiente
El recipiente cilíndrico fue construido soldando en unos de los extremos una
lámina de acero de igual composición a la del tubo. La parte interior del cilindro
que se encuentra expuesta al electrolito fue sometida a un proceso de
Sandblasting con el objetivo de eliminar las capas de óxido presentes y cualquier
impureza superficial, la parte exterior del recipiente cilíndrico fue recubierta con
imprimante Epóxico Rojo.
La conexión eléctrica se realizó aplicando soldadura Cadweld entre el recipiente y
un cable 14AWG de 3.7 m de longitud.
Para facilitar el manejo del recipiente fueron soldadas 2 argollas metálicas en la
parte superior.
Selección del electrolito
46
En un sistema de protección catódica, el electrolito se constituye en un parámetro
fundamental debido a la influencia de factores intrínsecos como la resistividad, pH,
contenido de humedad, entre otros.
En la práctica se encuentran diversas soluciones acuosas que difieren en su
conductividad y por lo tanto al exponer un metal a dichos medios tendrán una
velocidad de corrosión característica, que implican requerimientos de corriente
para protección catódica diferentes para cada medio.
Además, por la naturaleza de este ensayo, es indispensable que el electrolito
conserve sus propiedades durante el periodo de prueba, con el objetivo de
garantizar un seguimiento al cambio de la resistencia de la cama anódica en
función del tiempo.
Para cumplir con este alcance, se plantea la utilización de una solución acuosa
que permita simular algunos ambientes encontrados en la práctica donde los
valores de resistividad pueden hallarse en el orden de 10 a 1000000 Ω*cm, y,
además que sea de fácil obtención y manejo. A nivel de laboratorio es apropiado
emplear electrolitos con valores de resistividad bajos e intermedios debido a la
facilidad de alcanzar los voltajes requeridos para protección catódica.
En este orden de ideas se encontró que el agua potable cumple con las
condiciones mencionadas anteriormente y puede emplearse para este propósito.
Para analizar detalladamente el agua potable que se utilizó como electrolito en
este ensayo se presenta en la tabla 9 una caracterización de sus propiedades
físicas y químicas de la misma.
47
Tabla 9. Características del agua potable de Piedecuesta
PARÁMETRO
PH
RESULTADOS
VALOR
ADMISIBLE
VALOR
(Decreto 1594 de
1984)
7
6.5-9
UNIDADES
TEMPERATURA
25.3
-
°C
TURBIEDAD
0
≤5
FTU
ALCALINIDAD TOTAL
46.62
100
mg/L de CaCO3
DUREZA TOTAL
43
160
mg/L de CaCO3
CLORUROS
33.996
250
mg/L de Cl-
SÓLIDOS TOTALES
72
≤500
mg/L
Para conocer las características corrosivas del electrolito seleccionado sobre la
estructura a proteger), se efectuó el cálculo de la densidad de corriente de
corrosión empleando un analizador de impedancias marca ZANHER con software
de referencia THALES.
En las Gráfica 1 y Gráfica 2 se ilustran las curvas de polarización para cálculo de
Resistencia a la polarización Rp y las pendientes Taffel ( β a y
respectivamente.
48
β c)
Gráfica 1. Resistencia a la polarización
Agua Potable con Aire para Cálculo de Resistencia a la
Polarización
0,013
0,008
y = 7088,2x - 0,0151
R2 = 0,9981
Potencial (V)
0,003
-0,002
-0,007
-0,012
-0,017
-0,022
-0,027
-0,032
-3,00E-06 -2,00E-06 -1,00E-06 0,00E+00 1,00E-06 2,00E-06 3,00E-06 4,00E-06
Log (I)
Gráfica 2. Pendientes Taffel
Agua Potable con Aireación para Cálculo de Pendientes
de Taffel
0,200
0,150
Reacción anódica
Potencial (V)
0,100
0,050
0,000
-0,050
-0,100
Reacción catódica
-0,150
-0,200
-0,250
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
Log (I)
49
1,00E-04
A partir de estas gráficas, se encontraron los siguientes valores para las
pendientes Taffel para las reacciones anódicas y catódicas:
β a =245 mV/dec.
β c = 225 mV/dec.
Rp = 7.088 KΩ
Luego, empleando la ecuación 6: se calcula el Icorr :
Icorr.=
βa * βc
2 .3 ( β a + β c ) * R p
(Ecuación 6)
Donde:
βa = pendiente Taffel anódica (mV/dec)
βc = pendiente Taffel catódica (mV/dec)
Rp= resistencia a la polarizaciòn (KΩ)
Icorr. = densidad de corriente (µA/ cm2)
Reemplazando con los valores obtenidos de las gráficas tenemos:
Icorr.=
245 * 225
2 . 3 ( 245 + 225 ) * 7 . 088
Icorr =7.19 µA/cm2 = 71.9 mA/m2
Este resultado es de gran importancia al momento de calcular los requerimientos
de corriente en protección catódica.
50
Se debe tener en cuenta que la selección del electrolito es un parámetro que se
fija en el proceso de diseño y construcción de la celda, y algunos, de los otros
parámetros de la celda, estarán en función de dicho medio; además, la celda
posibilita el empleo de otros electrolitos, que cumplan condiciones cercanas a las
establecidas en el presente diseño.
Selección del ánodo
Al analizar las características descritas anteriormente se encuentra que existen
variables que deben estudiarse cuidadosamente al momento de definir el ánodo,
uno de los factores mas importantes es el electrolito al cual será expuesto, para el
caso particular del agua potable se encontró que los ánodos de grafito, hierro con
alto contenido de Silicio, Aluminio y Titanio platinizado pueden emplearse en este
medio, la diferencia radica en la tasa de consumo propia de cada ánodo.
Debido a los requerimientos de trabajo de la celda, entre los cuales se debe
garantizar que el cambio en la resistencia en la cama anódica sea debido
exclusivamente al desempeño del coque, es necesario seleccionar un ánodo
inerte. A nivel de laboratorio el acero inoxidable puede emplearse y se convierte
en el ánodo de trabajo.
a.
Forma y dimensiones del ánodo:
El ánodo de acero inoxidable es una barra de sección circular, provista de una
conexión eléctrica, empleando para ello, cable encauchetado 18 AWG y las
dimensiones se establecen según los cálculos del sistema de protección a evaluar.
(Ver figura 7)
51
Figura 7. Forma del ánodo de acero inoxidable.
Tierra
Conductor
Conexión eléctrica
L
Acero inoxidable
D
Selección de la fuente
Un sistema de protección catódica por corriente impresa se caracteriza por el
requerimiento de una fuente de corriente directa que suministra la tensión
necesaria para proteger la estructura.
A nivel de laboratorio es conveniente la utilización de una fuente que permita
ajustar el voltaje de salida requerido. Para la celda en estudio se empleará una
fuente de voltaje variable con una capacidad máxima de salida de 25 VDC y una
corriente de salida de 5 A. (Ver fotografía 1).
52
Fotografía 1. Fuente de tensión 25 VDC 5 A.
Diseño del circuito
Basados en la Ley de Ohm, que establece la relación V = (I)*(R), se calcula el
valor de la resistencia (R).
Al fijar una tensión de salida (V) y conectar un amperímetro en serie se puede
medir la corriente del circuito. El circuito se esquematiza en la figuras 8 y 9.
53
Figura 8. Circuito de la celda de ensayo acelerado sin medición de la corriente de
protección y sistema de medición de potencial estructura/electrolito.
Estación
De control
i
-
+
Fuente
Conexión
eléctrica
V
Cátodo
Ánodo
Electrolito
Electrodo Ag/AgCl
Figura 9. Circuito de la celda de ensayos en laboratorio con medición de la
corriente del circuito.
+
A
54
-
El monitoreo de la corriente permite graficar la tendencia de la resistencia del
relleno en función del tiempo, manteniendo una tensión aplicada constante (V).
Adecuación de accesorios
El oxigeno es un agente catalizador de la velocidad de las reacciones catódicas en
un sistema de protección catódica. Por tal razón hay que garantizar una
saturación de oxígeno en la celda, la cual, se suministra a través de un sistema de
aireación constante.
Para mantener las condiciones de aireación establecidas en el diseño, se
implementó una red de aire que garantiza un flujo constante que se distribuye
dentro de la celda por medio de una manguera provista de agujeros equidistantes,
controlado mediante un regulador ubicado en la entrada de aire.
En
la
figura
8
se
establece
el
sistema
de
medición
de
potencial
estructura/electrolito, empleando para ello un voltímetro digital de alta impedancia
y un electrodo de referencia Ag/AgCl marca METROHM. Para establecer el criterio
de protección se debe fijar el potencial estructura/electrolito en no menos de –0,85
VDC con respecto al electrodo de referencia Ag/AgCl.
Las principales características de las partes constitutivas de la celda de ensayos a
nivel de laboratorio se ilustran en el anexo B.
55
7.3 MONTAJE DE LOS COQUES EN LA CELDA DE ENSAYOS EN
LABORATORIO
Para evaluar el desempeño del coque se diseñó un sistema de protección catódica
para la estructura que se ilustra en la figura 10 y que corresponde al cátodo de la
celda construida para tal objetivo.
La principal característica geométrica de esta estructura es que permite variar el
nivel de electrolito hasta una determinada altura de trabajo (h) y por consiguiente
permite seleccionar un área en particular. El cátodo de estudio corresponde a un
segmento de tubería, tal como se ilustra en la figura 10
Figura 10.estructura a proteger
H = 55 cm.
Altura de trabajo
(h)
D = 41,38 cm.
Los datos que se tuvieron en cuenta para el diseño se describen en la tabla 10.
56
Tabla 10. Características de los parámetros de diseño
Valor
Característica
Altura de trabajo
0.18 m
Diámetro de la tubería
0.4168 m
Área total
0.368 m2
Eficiencia del recubrimiento
0% ( acero desnudo)
% Total del Área a proteger
100%
Resistividad del electrolito (agua
9300 Ω *cm.
potable)
I corrosión
66.56 mA/m21
Densidad de corriente (J)
200 mA/m22
Corriente necesaria
73.6 mA
Resistencia de la cama anódica
196.891Ω
Resistencia de los cables de conexión
0.0631Ω
Resistencia del cátodo
8.316*10-6 Ω
Resistencia del amperímetro
0.075 Ω
Resistencia total del circuito
197 Ω
Voltaje requerido para protección
16.5 V
catódica
Cantidad de ánodos de acero
1 en posición vertical
inoxidable
Tasa de consumo del ánodo de
acero inoxidable
1 Kg. / A*año
Eficiencia
80 %
1
resultado obtenido mediante el cálculo de las pendientes Taffel y Resistencia a la polarización
2
valor asumido para protección de la estructura teniendo en cuenta el i corr.
57
7.3.1 Cálculo de los parámetros de diseño
a) Resistividad del electrolito
La medición de la resistividad del electrolito se realizó empleando la caja para
medición de resistividades construida en la primera fase del proyecto, donde se
siguen los lineamientos establecidos en
la norma ASTM G-57 “ Field
Measurements of soil Resistivity Using the Wenner Four Electrode Method”.
Este ensayo es uno de los más utilizados para evaluar rápidamente la agresividad
por corrosión de un determinado electrolito. La resistividad del electrolito es una
propiedad de tipo eléctrico, y, guarda una relación directa con la resistencia que
presenta el medio al paso de cargas iónicas y eléctricas.
Al efectuar mediciones en diferentes tiempos se encontró que el valor de la
resistividad para el agua potable es 9300 Ω *cm.
b) Área a Proteger
El área a proteger está constituida por una sección de tubería y una tapa circular
metálica para el fondo del recipiente. Luego, el área total se calcula de acuerdo a
la ecuación 1.
Á total =
πr2 + 2πrh
(ecuación 7)
Donde:
r: radio del segmento de tubería
h: altura de trabajo
Al sustituir los respectivos valores del radio y la altura de trabajo descritos en la
tabla 10 se tiene que:
58
Á total =
π(0.2069)2 + 2π(0.2069)(0.18)
Á total = 0.36848 m2
c) Corriente de protección DC necesaria (I)
La corriente requerida se calcula empleando la ecuación 2:
I = (J)*(A) (ecuación 8)
Donde:
J: densidad de corriente
A: área total a proteger
Luego, al sustituir los respectivos valores descritos en la tabla 1se tiene:
I = (200 mA/m2) * 0.36848 m2
I = 73.6 mA = 0.0736 A
d) Resistencia total del circuito.
La resistencia total es la suma de cada una de las resistencias de los elementos
en serie que componen el circuito del sistema de protección catódica, tal como se
señaló en la ecuación 2:
Al analizar dicha expresión se aprecia que la resistencia de la cama anódica
depende de la geometría del ánodo y del relleno. La cama anódica para este
ensayo se instalará en posición vertical como lo ilustra la figura 11.
59
Teniendo en cuenta que la cama anódica se encuentra inmersa en un medio
acuoso, se construyó una bolsa de tela de forma cilíndrica con el objetivo de
conservar la integridad del relleno y definir la geometría de la cama anódica.
Para la instalación
mostrada en la figura 11, la tabla 11 describe las
características más importantes de la cama anódica empleada en el ensayo.
Figura 11 .Disposición y características de la cama anódica.
Conductor eléctrico
Bolsa de tela
Ánodo
L
Relleno de coque
D
60
Tabla 11. Características de la cama anódica
Valor
característica
Longitud del ánodo
5 cm.
Diámetro del ánodo
2 cm.
Peso del ánodo (acero inoxidable)
300 g.
Longitud total de la cama anódica (L)
8 cm.
Diámetro total de la cama anódica (D)
9 cm.
Con la información suministrada anteriormente los valores de cada una de las
resistencias que constituyen el circuito, se tiene que:
o Resistencia de la cama anódica
•
R cama anódica =
R cama anódica =
0,159 × ρ
L
⎡ 8L ⎤
⎢ Ln D −1⎥
⎣
⎦
0,159 × 9300 ⎡ 8 (9) ⎤
⎢ Ln 8 −1⎥
9
⎣
⎦
R cama anódica = 196.8956831Ω
o Resistencia del cátodo
La resistencia del cátodo se calcula teniendo en cuenta la resistencia del material
de la tubería, este valor se encuentra tabulado en tablas y está en función
diámetro y el espesor de la pared del tubo
61
La resistencia del cátodo se calcula mediante la ecuación 9
•
Rcàtodo= (R tuberia)*(L)
(ecuaciòn 9)
Donde:
R tuberia = Resistencia de la tuberìa
L= longitud del tubo
El cátodo empleado corresponde a un segmento de tubería de 16 pulgadas de
diámetro y un espesor de pared de 0.375 pulgadas que posee una resistencia de
15.12 µΩ/ m y una longitud de 0.55 m, luego se tiene que:
Rcàtodo = (15.12)*(0.55)
Rcàtodo =8.316*10-6 Ω
o Resistencia de los cables
Para el circuito eléctrico se emplearon cables 14 AWG con una longitud total de
7.62 m.
Para conocer la resistencia de los cables se emplea la siguiente expresión
emplean los valores de resistencia eléctrica para el tipo de cables empleados
(tabla 12) y la longitud total de los cables que constituyen el circuito, tal como lo
señala la ecuación 10
Rcables =(Longitud del cable)* (resistencia lineal del cable)
62
(ecuación 10)
Tabla 12. Resistencia eléctrica para los cables según la AWG
Diámetro
Diámetro
(pulgadas)
(mm)
0000
0.46
11.684
0.16072
000
0.4096
10.40384
0.202704
00
0.3648
9.26592
0.255512
0
0.3249
8.25246
0.322424
1
0.2893
7.34822
0.406392
2
0.2576
6.54304
0.512664
3
0.2294
5.82676
0.64616
4
0.2043
5.18922
0.81508
5
0.1819
4.62026
1.027624
6
0.162
4.1148
1.295928
7
0.1443
3.66522
1.634096
8
0.1285
3.2639
2.060496
9
0.1144
2.90576
2.598088
10
0.1019
2.58826
3.276392
11
0.0907
2.30378
4.1328
12
0.0808
2.05232
5.20864
13
0.072
1.8288
6.56984
14
0.0641
1.62814
8.282
AWG
Luego al sustituir estos valores se tiene que:
63
Ω/ Km.
Rcables= (8.282Ω/Km.)*(7.62*10-3Km)
Rcables=0.0631 Ω
o Resistencia de la fuente
La fuente de corriente continua posee una resistencia eléctrica de valores
extremadamente pequeños, por tal razón puede considerarse despreciable en
comparación con las demás resistencias señaladas
o Resistencia del equipo de medición
Para la monitorear la corriente total del circuito, se empleó un multímetro digital
Hewlett Packard 34401, que posee una resistencia de 0.075 Ω
Para el cálculo de la resistencia total del circuito se tiene en cuenta la ecuación 3,
tal como se describe a continuación:
R t = R c + Re m + R ca + Rcama
R t = 0.0631 + 0.075 + 8.316 * 10 −6 + 196.895
Rt = 197 Ω
e) Voltaje requerido
El voltaje total requerido se calcula utilizando la ley de Ohm, más la adición de 2
voltios de tensión contra – electromotriz, tal como lo describe la ecuación 11:
V = ( IReq.)* (RT) + 2 (ecuación 11)
Donde
64
V = Voltaje
IReq = Corriente requerida
RT = Resistencia total del Circuito
Al sustituir los anteriores valores (ver tabla 10) se encuentra que el voltaje
requerido es.
V = (0.0736.)* (197) + 2
V = 16.5 v
El voltaje anteriormente calculado fue sobredimensionado hasta un valor de 25 V
teniendo en cuenta la naturaleza acelerada del ensayo, garantizando de esta
manera una mayor exigencia a la cama anódica.
7.3.2 Especificaciones del ánodo de acero inoxidable empleado en el diseño
Teniendo en cuenta la forma cilíndrica de la estructura a proteger, se analizó la
influencia del diámetro del ánodo en el proceso de polarización de las paredes del
recipiente; para tal efecto se seleccionaron 2 ánodos con diámetros de 1cm. y 2
cm. y una longitud constante de 5 cm.
Los anteriores ánodos se colocaron en operación en la celda de ensayos de
laboratorio en ausencia de relleno. El voltaje de salida de la fuente se llevó al valor
máximo entregado por la fuente (25 V). Bajo las condiciones señaladas
anteriormente se encontró que con diámetro de 1 cm. la estructura no logró el
voltaje de protección requerido, el potencial obtenido fue de -0.80 V con respecto
al electrodo Ag/AgCl.
65
Al emplear el ánodo de 2 cm. de diámetro se logró un grado de polarización
satisfactorio, el potencial de estructura registrado fue de -0.85 V con respecto al
electrodo Ag/AgCl. De acuerdo a la anterior se seleccionó un ánodo de forma
cilíndrica de 2 cm. de diámetro y 5 cm. de longitud, conectado a un alambre
conductor con núcleo de cobre. El peso del ánodo es de 300 gr.
7.3.3 Tipos de rellenos empleados
El ensayo está orientado a establecer comparaciones del desempeño de la cama
anódica empleando 2 tipos diferentes de rellenos: un coque comercial importado
marca Loresco de referencia SC3, y un coque nacional proveniente del
departamento de Boyacá.
a) Coque Loresco SC3
El coque Loresco es un producto calcinado del petróleo. Las propiedades más
importantes de este relleno se resumen en la tabla 13
Tabla 13. Propiedades del coque Loresco SC3
PROPIEDAD
VALOR
Carbono fijo
99.35% min.
Cenizas
0.6% máx.
Humedad
0.05%
Volátiles
0% (950ºC)
Densidad Aparente
1.18 g/cm3
Granulometría
(partículas esféricas)
Resistividad(Ω*cm)
< 1 mm.
23
66
b) Coque Colombiano
El coque colombiano es producido por la empresa Colcarbón, dedicada a la
producción y comercialización de coque para la exportación., La planta
seleccionada para recolectar la muestra de coque está ubicada en la vereda de
Salamanca, municipio de Samacá.
El proceso de muestreo, recolección, molienda y caracterización de la muestra fue
realizado por la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC).
Las propiedades más importantes del Coque Colombiano son descritas en la tabla
14
Tabla 14. Propiedades del coque Colombiano
PROPIEDAD
VALOR
Carbono fijo
81.61%
Cenizas
14.04%
Humedad
1.08%
Volátiles
3.27%
Densidad Aparente
0.95 gr/cm3
Granulometría
< 3 mm.
Resistividad(Ω*cm)
49
7.3.4 Especificaciones y consideraciones generales del ensayo
Para establecer comparaciones de una manera más precisa, se construyeron 2
celdas con las mismas características y bajo las mismas condiciones de trabajo.
Para evaluar el coque Loresco se construyó una celda denominada celda 1 y para
el coque colombiano una celda denominada celda 2. Es importante señalar que la
única diferencia radica en la masa de coque a evaluar: el coque Loresco al tener
67
una mayor densidad (1.18 g/cm3) en comparación con el coque colombiano (0.95
g/cm3 ), lo cual se refleja en la diferencia de masas para cada cama anódica.
Las cantidades de muestra a evaluar se describen en la tabla 15
Tabla 15. Peso de las muestras de coque a evaluar
Peso (g)
Tipo de coque
Coque Loresco
380
Coque colombiano
283
7.3.5 Procedimiento de pruebas y puesta en marcha
Una vez instalado el sistema de protección, se registraron los valores de la
corriente del circuito y posteriormente se calculará la resistencia total del circuito,
además, la fuente de corriente se colocó en operación y se registraron los
monitoreos del potencial de la estructura verificando que se encontrara en un valor
mínimo de -0,85 V con respecto al electrodo de referencia Ag/AgCl
7.4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÒN DE UN SISTEMA DE PROTECCIÒN
CATÒDICA POR CORRIENTE IMPRESA A NIVEL DE LABORATORIO EN
CAMPO
Para evaluar el desempeño de una cama anódica se diseñó un sistema de
protección catódica por corriente impresa para una estructura metálica empleando
como relleno coque Loresco SC3.
Se empleó una lámina de acero naval ASTM 131 Grado A Las dimensiones de la
estructura metálica con señaladas en la figura 12.
68
Figura 12.Dimensiones de la estructura a proteger
71cm
71cm
Los datos que tenidos en cuenta para el diseño se describen en la tabla 16.
Tabla 16. Características de los parámetros de diseño
Característica
valor
Área total a proteger
1,0082 m2
Eficiencia del recubrimiento
0% ( acero desnudo)
% Total del Área a proteger
100%
Resistividad del suelo
3000 Ω *cm
Corriente requerida
0.10
Resistencia de la cama anódica
38.115Ω
Resistencia de los cables de conexión
0.2636Ω
Resistencia del cátodo
36.5*10-6Ω
Resistencia del amperímetro
0.075
Resistencia total del circuito
38.45 Ω
Voltaje requerido
3.845 V
Número de ánodos
1 en posición vertical
Tasa de consumo del ánodo de
Hierro con alto Silicio
0.25Kg. / A*año
Eficiencia
80 %
69
7.4.1 Cálculo de los parámetros de diseño
a) Resistividad.
La medición de la resistividad del suelo se realizó empleando el método de los
cuatros pines siguiendo los lineamientos establecidos en la norma ASTM G-57[13]
“Field Measurements of soil Resistivity Using the Wenner Four Electrode Method”.
Este
ensayo
representa
universalmente
uno
de
los
indicadores
más
representativos para establecer la capacidad que tiene el suelo de facilitar la
existencia de un proceso corrosivo con la estructura con la cual interactúa.
La resistividad del suelo es una propiedad física de carácter eléctrico que es
función directa de la resistencia que presenta al paso de cargas eléctricas e
iónicas y depende esencialmente de los elementos que la constituyen, tales como
sales y sulfatos. De igual manera, la resistividad del suelo es afectada por el
contenido de humedad, la capacidad de retención de agua o higroscopía, el grado
de compactación , la temperatura y la presencia de material inerte (grava, rocas,
entre otras).
Para calcular la resistividad del suelo, se parte de la medición de su resistencia
eléctrica, la cual para este caso particular, fue realizada mediante el método de los
cuatro pines y el equipo Nilsson Modelo 400. La figura 13 ilustra el montaje de la
técnica y el equipo empleado.
Por otra parte, el valor de la resistividad del suelo depende de la profundidad a la
cual se realice la medición, y que para el caso de este método de medición, se
representa como la distancia entre pines.
Basados en lo anterior, la resistividad del suelo se calcula mediante la siguiente
expresión:
70
ρ = (2)*( π )*a*(R)
Donde:
ρ : Resistividad del suelo expresado en Ω*cm
π : Constante igual a 3.141516
a : Profundidad de la medición o distancia entre pines expresada en cm
R: Resistencia eléctrica del suelo expresada en Ω
Figura 13. Disposición del equipo para la medición de la resistencia eléctrica
a
a
a
a/20
a/2
h
Al efectuar mediciones de resistividad del suelo en el área de trabajo se encontró
que el valor de la resistividad de dicho suelo es 3000 Ω *cm.
71
b) Área a proteger
El área a proteger está constituida por una lámina de acero de forma cuadrada
cuyos lados tienen una longitud de 71 cm, la cual será expuesta por las dos caras.
El área a proteger se calcula según la fórmula de un cuadrado (ecuación 12)
Á total = (2)*(L)*(L) (ecuación 12)
Donde:
L: Longitud del lado de la lámina en cm
Luego se tiene que:
Á total =(2)*(71)*71)
Á total =10082cm2 =1.0082 m2
c) Resistencia total del circuito
La resistencia total es la suma de cada una de las resistencias de los elementos
en serie que componen el circuito del sistema de protección catódica, tal como se
señaló en la ecuación 3.
La cama anódica para este ensayo se instalará en posición vertical como lo ilustra
la figura 14.
72
Figura 14. .Corte transversal de la cama anódica.
Tierra
Conductor
d
p
Estructura metálica
l
L
Ánod
Relleno
D
d
Para la instalación
mostrada en la figura 14, la tabla 17 describe las
características más importantes de la cama anódica empleada en el ensayo.
Tabla 17. Características de la cama anódica
Valor
característica
Longitud del ánodo
4.5 cm.
Diámetro del ánodo
9.5 cm.
Peso del ánodo (Hierro con alto
1292.10 g.
contenido de Silicio)
Longitud total de la cama anódica (L)
25 cm.
Diámetro total de la cama anódica (D)
10 cm.
Profundidad de la estructura bajo la
30 cm.
tierra (p)
Distancia entre la cama anódica y la
2 m.
estructura (d)
73
Con la información suministrada anteriormente los valores de cada una de las
resistencias que constituyen el circuito, se tiene que:
•
Resistencia de la cama anódica
R cama anódica =
0,159 × ρ
L
R cama anódica =
0,159 × 3000 ⎡ 8 (25) ⎤
⎢ Ln 10 −1⎥
25
⎣
⎦
⎡ 8L ⎤
⎢ Ln D −1⎥
⎣
⎦
R cama anódica = 38.115Ω
•
Resistencia del cátodo
Al calcular la resistencia eléctrica de la lámina metálica se obtuvo el valor de
36.5µΩ. El resultado anterior fue obtenido teniendo en cuenta que se empleó una
lámina cuyo espesor es 0.5 cm y 71 cm de longitud y asumiendo una resistividad
del acero de 3.68*10-4 Ω*m, de acuerdo a la siguiente expresión:
R = ρ*(L/A)
R= 3.68*10 -4 (0.05/0.5041)
R=36.5*10-6 Ω.
•
Resistencia de los cables
Para el circuito eléctrico se emplearon cables 14AWG con una longitud total de 32
m. Para conocer la resistencia de los cables se emplea la siguiente expresión
emplean los valores de resistencia eléctrica para el tipo de cables empleados
(tabla 12) y la longitud total de los cables que constituyen el circuito, tal como se
señaló en la ecuación 10
R cables = (Longitud del cable)* (resistencia lineal del cable)
Luego al sustituir estos valores se encontró que:
74
Rcables= (8.282Ω/Km.)*(32*10-3Km)
Rcables = 0.2636Ω
•
Resistencia del equipo de medición
Para la monitorear la corriente total del circuito, se empleó un multímetro digital
Hewlett Packard 34401, que posee una resistencia de 0.075 Ω
Para el cálculo de la resistencia total del circuito se tiene en cuenta la ecuación 3
tal como se describe a continuación:
R t = R c + Re m + R ca + Rcama
R t = 0.236 + 0.075 + 36 *10−6 + 38.115
Rt =38.45Ω
d) Corriente requerida
Para calcular la corriente requerida se realizó una prueba de recurso de corriente
procediendo de la siguiente manera: se dispuso en primer lugar de una cama de
anódica temporal en el sitio propuesto para la cama anódica final, luego, se
conectó en serie un interruptor de corriente relevando los potenciales “ON” y
“OFF” a lo largo de la estructura a proteger con un voltímetro de alta impedancia y
un electrodo de referencia portátil en cobre- sulfato de cobre (Cu/CuSO4). Se
aumentó la corriente de salida de la cama anódica temporal en función de las
lecturas de potenciales relevados hasta obtener una protección completa sobre la
estructura según el criterio de un voltaje de -0.85 V con respecto al electrodo de
referencia (Cu/CuSO4).
La corriente requerida se calcula de acuerdo a la siguiente expresión (ecuación
13)
75
irequerida
− 0.85 − Vnatural
=
iensayo
V "ON "−V "OFF "
(Ecuación 13)
Donde
irequerida :es la corriente requerida para protección catódica
V natural: es el potencial natural o nativo de la estructura
iensayo: es la corriente medida en el ensayo
V”ON”: es el voltaje con circuito cerrado
V”OFF”: es el voltaje con circuito abierto
Durante la prueba fueron obtenidos los siguientes resultados
iensayo : 0.09 A
V natural de la estructura: -0.57 V
V”ON”: -0.85 V
V”OFF”: -0.60
La corriente requerida del ensayo fue de 0.1 A
e) Voltaje requerido para protecciòn catòdica
El voltaje total requerido se calcula utilizando la ley de ohm, más la adición de 2
voltios de tensión contra – electromotriz, tal como se señaló en la ecuación 11:
V = (IReq )* (RT) + 2
Al sustituir los anteriores valores (ver tabla 16) se encuentra que el voltaje
requerido es.
V = (0.15)* (38.45) + 2
V = 7.76 V
76
El voltaje anteriormente calculado fue sobredimensionado hasta un valor de 18 V
que corresponde a la máxima salida del rectificador de trabajo, garantizando de
esta manera una mayor exigencia a la cama anódica.
f) Masa anódica de Hierro con alto contenido de Silicio empleada en el
diseño (M)
La masa anódica para el diseño fue de 1,292 Kg.
g) Material de relleno empleado
El sistema fue diseñado empleando un coque comercial importado marca Loresco
de referencia SC3 como relleno en la cama anódica, el coque Loresco es un
producto calcinado del petróleo. Las propiedades más importantes de este relleno
fueron descritas en la tabla 13.
Para la cama anódica diseñada se emplearon 2470 g. de coque
h) Procedimiento de pruebas y puesta en marcha
Una vez instalado el sistema de protección, se registraron los valores de la
corriente del circuito y posteriormente se calculó la resistencia total del circuito,
además, la fuente de corriente se colocará en operación y se monitoreó el
potencial de la estructura verificando que se encontrara en un valor mínimo de 0,85 V con respecto al electrodo de referencia Cu/CuSO4
77
8. RESULTADOS Y ANÀLISIS
8.1 RESISTENCIA DE LAS CAMAS ANÓDICAS EMPLEANDO COQUE
LORESCO SC3 Y COQUE COLOMBIANO COMO RELLENO DE LAS CAMAS
ANÓDICAS A NIVEL DE LABORATORIO
Una vez realizado el montaje y puesta en operación de las celdas a nivel de
laboratorio para el coque Loresco SC3 y el coque Colombiano, se registró la
corriente del circuito, posteriormente empleando la ley de Ohm (V = I*R) se calculó
la resistencia total del circuito, teniendo en cuenta que durante el ensayo
permaneció constante el voltaje de la fuente.
Conociendo las resistencias constantes y totales del circuito, se procedió a
calcular las resistencias de las camas anódicas para las dos celdas de trabajo,
según la ecuación 4
Los valores de corriente del circuito, resistencia total del circuito y resistencias de
las camas anódicas son descritos en la tabla 19
Los valores de resistencia total y tiempo de duración del ensayo se representaron
gráficamente para analizar las curvas de tendencia del cambio de la resistencia
eléctrica con el transcurso del tiempo (ver gráfica 3).
Teniendo en cuenta lo señalado anteriormente y analizando las curvas de
tendencia de las camas anódicas empleando como material de relleno coque
Loresco SC3 y coque Colombiano se encontró una diferencia notable del cambio
de la resistencia eléctrica para los dos coques evaluados.
El comportamiento del coque Loresco SC3 desde el punto de vista del desempeño
como material de relleno en sistemas de protección catódica por corriente impresa
78
es más favorable en comparación con el comportamiento del coque colombiano,
esto se fundamenta analizando que en las camas anódicas es indispensable un
drenaje de corriente apropiado para satisfacer los requerimientos de protección de
la estructura; por consiguiente, un aumento en la resistencia de la cama anódica
puede asimilarse como una barrera al drenaje de corriente, que está influenciado
directamente de las propiedades físico-químicas del material de relleno y
constituye una evaluación indirecta de la calidad del coque material de relleno
sistemas de protección catódica por corriente impresa.
8.2 COMPORTAMIENTO DEL POTENCIAL DE LA ESTRUCTURA CON
RESPECTO AL ELECTRODO Ag/AgCl DURANTE EL ENSAYO
El potencial de la estructura fue monitoreado durante el transcurso del ensayo con
el objetivo de establecer posibles diferencias al emplear el coque Loresco SC3 y el
coque colombiano como material de relleno en las camas anódicas de las
respectivas celdas construidas.
Los valores de potencial de la estructura son descritos en la tabla 19
A partir de las lecturas tomadas con el transcurso del tiempo se graficó el cambio
del potencial de las estructuras de las celdas (Ver gráfica 4)
Al analizar el grado de polarizaciòn de la estructuras empleando los coque objeto
de estudio se puede apreciar que no existen grandes diferencias durante el
periodo de prueba. Sin embargo, es importante señalar que el voltaje de la fuente
fue sobredimensionado hasta su máximo valor de salida (25 V) con el objetivo de
alcanzar mayores niveles de corriente y por ende garantizar la protección de la
estructura, y por tal razón este hecho tiene una marcada influencia sobre este
comportamiento.
79
8.3 ANÁLISIS GRAVIMÉTRICO DE LOS RELLENOS EMPLEADOS EN LAS
CELDAS DE LABORATORIO
Para estimar la tasa de consumo de los dos rellenos empleados se realizó un
análisis gravimétrico:
Los datos del análisis de resumen en la tabla 18
Tabla 18.Peso de los coques para análisis gravimétrico
Coque Loresco
Coque Colombiano
Peso inicial: 380 g.
Peso inicial:283.60 g.
Peso final: 376.830g.
Peso final: 278.30
Pérdida de peso:3.17 g.
Pérdida de peso:5.3 g.
Al comparar los datos anteriores se puede apreciar una diferencia en las
respectivas pérdidas de peso, es decir, el coque Colombiano presenta un grado de
desgaste relativamente mayor que el coque Loresco SC3.
Además al realizar teóricamente el cálculo de la tasa de consumo mediante la
expresión
M = (C) *(I) *(t)/F (Ecuación 14)
Donde:
C: tasa de consumo del relleno (Kg/A*año)
I: corriente requerida (A)
t: duración de la prueba (años)
M: masa consumida (Kg.)
F: factor de seguridad (generalmente se asume 0.80)
Al sustituir los valores empleados en la prueba se obtiene una tasa de consumo
que se encuentra en concordancia con los valores teóricos de consumo para los
rellenos carbonáceos empleados en protección catódica, que señalan un consumo
de 025Kg/A*año a 1Kg/A*año.
80
Los anteriores datos fueron obtenidos para un periodo correspondiente a 15 días.
8.4 RESISTENCIA DE LA CAMA ANÓDICA EMPLEANDO COQUE LORESCO
SC3 COMO RELLENO DE LAS CAMAS ANÓDICAS A NIVEL DE
LABORATORIO EN CAMPO.
Con el objetivo de analizar el comportamiento de una cama anódica en
condiciones cercanas a las encontradas en la práctica, se diseñó y construyó un
sistema de protección catódica por corriente impresa en campo abierto, al sistema
se le adecuó una estación de monitoreo para tomar las lecturas de voltaje de la
estructura y la corriente de circuito, con este último dato se calcula la resistencia
total del circuito y la resistencia de la cama anódica de manera similar al caso de
las celdas de la laboratorio.
Es importante indicar que la resistencia de la cama anódica para este sistema está
condicionada a posibles variaciones de las condiciones del suelo (humedad, entre
otros), por lo tanto existe la posibilidad que en el circuito eléctrico equivalente,
además de la cama anódica, varíe la resistencia del suelo, perjudicando el
monitoreo de la cama anódica únicamente.
Los anteriores valores se registran en la tabla 20.
Las gráficas 5 y 6 muestran el comportamiento de la cama anódica desde el punto
de vista de la resistencia eléctrica de la cama anódica y el grado de polarizaciòn
de la estructura
Al analizar la resistencia de la cama anódica se puede apreciar que el cambio de
tendencia es moderado, por lo tanto es recomendable efectuar el seguimiento a la
81
cama anódica durante un largo periodo de tiempo para encontrar una secuencia
de datos representativos, y justamente el sistema fue diseñado para tal propósito.
8.5 COMPORTAMIENTO DEL POTENCIAL DE LA ESTRUCTURA CON
RESPECTO AL ELECTRODO Cu/CuSO4 DURANTE LOS PRIMEROS DÌAS DE
OPERACIÒN.
Tal como lo señala la gráfica 6, el potencial de la estructura con respecto al
electrodo de referencia Cu/CuSO4, durante los primeros días del ensayo cumplió
satisfactoriamente con el criterio de protección catódica del potencial de estructura
mínimo de -0.85 V con respecto al electrodo Cu/CuSO4,.
Es importante tener en cuenta, que el voltaje del rectificador requerido para
protección catódica fue sobredimensionado hasta la máxima capacidad de salida
del mismo (18V), esto se refleja en el alto nivel de protección de la estructura El
alto voltaje de salida fue impuesto con el objetivo de alcanzar altos niveles de
corriente y aumentar el grado de exigencia a la cama anódica con la ventaja de no
encontrar efectos secundarios sobre la estructura, pues se trabajó con una lámina
100% desnuda.
82
Tabla 19. Monitoreo de las celdas de laboratorio para los montajes de coque Loresco SC3 y coque Colombiano
CELDA 2 (Coque
Colombiano)
CELDA 1 (Coque Loresco)
V
V de la
fuente I (mA)
estructura
(V)
Rt (Ω)
R.
cama
anòdica
(Ω)
V de la
estructura
V
fuente
(V)
I (mA)
Rt (Ω)
R.
cama
anòdica
(Ω)
-0.63
25
146.25 170.94
170.802
-0.63
25
141.6
176.554 176.416
-0.76
-0.75
-0.84
-0.88
-0.89
-0.89
-0.9
-0.91
-0.95
-0.95
-0.96
-0.96
-0.98
-0.99
-1
-1.05
-1.05
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
139.03
136.08
116.22
114.6
112.6
110.35
110.3
108.85
103.93
103.7
103.6
102.1
96.115
96.1
95.99
94.3
93.6
179.679
183.577
214.968
218.012
221.887
226.414
226.517
229.536
240.409
240.942
241.175
244.72
259.967
260.008
260.306
264.973
266.956
-0.75
-0.75
-0.84
-0.88
-0.88
-0.89
-0.9
-0.9
-0.94
-0.95
-0.93
-0.95
-0.95
-0.96
-0.98
-1.02
-1.02
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
134.8
132.05
86.35
82.55
80.55
78.38
78.05
61.6
61.47
61.45
60.700
61.025
51.115
51.02
51.892
51.16
51.065
185.460
189.322
289.519
302.847
310.366
318.959
320.307
405.844
406.702
406.835
411.862
409.668
489.093
490.004
481.77
488.663
489.572
179.817
183.715
215.106
218.15
222.025
226.552
226.655
229.674
240.547
241.08
241.313
244.858
260.105
260.146
260.444
265.111
267.094
83
185.322
189.184
289.381
302.709
310.228
318.821
320.169
405.706
406.564
406.697
411.724
409.530
488.955
489.866
481.632
488.525
489.434
tiempo(horas)
1
2
16
17
19
21
22
23
36
37
38
39
42
75
165
185
202
203
Tabla 19. (Continuación). Monitoreo de las celdas de laboratorio para los montajes de coque Loresco SC3 y coque
Colombiano
CELDA 2 (Coque
Colombiano)
CELDA 1 (Coque Loresco)
V
V de la
fuente I (mA)
estructura
(V)
-1.04
-1.04
-1.04
-1.05
-1.04
-1.03
-1.03
-1.02
-1.02
-1.02
-1.02
1.01
-999
-0.98
-0.97
-0.97
-0.97
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
93.4
92.1
91.05
91.03
91.01
89.02
89.02
89.011
89.01
89.014
89.001
88.99
87.88
87.68
87.58
87.245
87.33
Rt (Ω)
R.
cama
anòdica
(Ω)
V de la
estructura
V
fuente
(V)
I (mA)
267.666
271.444
274.574
274.635
274.695
280.836
280.836
280.864
280.867
280.855
280.896
280.93
284.479
285.128
285.453
286.549
286.27
267.528
271.306
274.436
274.497
274.557
280.698
280.698
280.726
280.729
280.717
280.758
280.792
284.341
284.99
285.315
286.411
286.132
-1.03
-1.03
-1.02
-1.01
-1.01
-1.01
-1
-0.99
-0.99
-0.98
-0.98
-0.97
-0.96
-0.96
-0.93
-0.9
-0.88
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
51.88
51.55
51.54
51.02
51.03
51.001
50.099
50.088
49.05
49.04
49.03
49.0011
48.99
48.85
48.9
48.9
48.5
84
tiempo(horas)
Rt (Ω)
R.
cama
anòdica
(Ω)
481.881
484.966
485.060
490.004
489.908
490.186
499.012
499.122
509.684
509.788
509.892
510.193
510.308
511.771
511.247
511.247
515.464
481.743
484.828
484.922
489.866
489.77
490.048
498.874
498.984
509.546
509.65
509.754
510.055
510.17
511.633
511.109
511.109
515.326
217
218
219
220
221
222
240
242
280
320
325
350
351
354
356
357
360
Gráfica 3 Variación de la resistencia eléctrica de las camas anódicas en las celdas
de laboratorio con el transcurso del tiempo
Resistencia Elèctrica de
la cama anòdica (Ω)
Variación de la resistencia eléctrica de las camas
anòdicas
600
500
Coque
Loresco SC3
400
300
Coque
Colombiano
200
100
0
0
100
200
Tiempo (horas)
300
400
Gráfica 4. Variación del potencial de la estructura en las celdas de laboratorio con
el transcurso del tiempo
Variación del potencial de la estructura
Potencial de la estructura(V)
-1.5
-1.3
-1.1
Coque Loresco
SC3
Coque
Colombiano
-0.9
-0.7
-0.5
0
100
200
300
Tiempo (horas)
85
400
Tabla 20. Monitoreo de la celda de laboratorio en campo durante los primeros días
del ensayo.
MONITOREO DE LA CELDA PILOTO DE CAMPO
V
Vfuente
estructura
I (mA)
(V)
(V)
Rt (Ω)
R. cama
anódica
(Ω)
t (horas)
-0.57
18
195.8
91.9305
91.5869
0
-2.7
18
190.5
94.4882
94.1446
4
-2.7
18
181.3
99.283
98.9394
5
-2.75
18
182.09
98.8522
98.5086
21
-2.75
18
181.07
99.4091
99.0655
23
-2.76
18
170.3
105.696
105.352
24
-2.77
18
153.5
117.264
116.92
46
-2.7
18
153.22
117.478
117.135
47
-2.7
18
153.1
117.57
117.227
48
-2.7
18
152.58
117.971
117.627
49
-2.7
18
148.54
121.179
120.836
95
86
Gráfica 5. Comportamiento de resistencia de la cama anódica diseñada en campo
durante los primeros días de la prueba.
Variación de la resistencia elèctrica de la celda de
laboratorio en campo
Resistencia eléctrica
(Ω)
140
120
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
Tiempo(horas)
Gráfica 6.Grado de polarizaciòn de la estructura metálica del sistema diseñado en
campo durante los primeros días de la prueba.
Grado de polarización de la estructura (V)
-3
Potencial de la
estructura(V)
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0
20
40
60
Tiempo (horas)
87
80
100
9. CONCLUSIONES
•
La resistencia de la cama anódica empleando como relleno la muestra de
coque colombiano presentó valores más altos en comparación con la cama
anódica donde se empleó un relleno de coque marca Loresco SC3,
reflejando un deficiente drenaje de corriente eléctrica no deseable en
sistemas de protección catódica por corriente impresa.
•
En las curvas de tendencia del cambio de la resistencia eléctrica en función
del tiempo se presentaron 3 zonas bien definidas: un periodo con
variaciones leves de resistencia eléctrica, una zona con tendencia
creciente, y, una zona final con estabilización del máximo valor de
resistencia eléctrica alcanzado.
•
Durante los primeros periodos de polarización de la estructura metálica no
se registraron cambios significativos de la resistencia eléctrica tanto para la
muestra de coque colombiano como para la muestra de coque Loresco
SC3, esta tendencia puede explicarse teniendo en cuenta que las camas
anódicas durante la primera parte del ensayo no experimentaron altas
exigencias de corriente, implicando una leve variación de la misma
•
La tasa de crecimiento de la resistencia eléctrica con el transcurso del
tiempo presentó la mayor variación empleando coque colombiano como
relleno de la cama anódica, en comparación con la muestra de coque
Loresco SC3, y dicha tendencia fue evidenciada en el periodo posterior a la
polarización de la estructura ( periodo comprendido entre las 18 y 100 horas
de prueba)
88
•
Después de alcanzarse un máximo valor de resistencia eléctrica
(aproximadamente 100 horas después de iniciarse la prueba), dicho valor
presentó una tendencia a estabilizarse. Esta situación se presenta tanto
para el coque colombiano como para el coque Loresco SC3.
•
La etapa de diseño y construcción de la celda para la evaluación de coques
empleando medición de resistencia eléctrica constituye la base para el
montaje de las muestras objeto de estudio, posibilitando simular un sistema
de protección catódica a nivel de laboratorio que permite monitorear la
corriente del circuito y el potencial de protección de la estructura.
•
La selección de algunos parámetros que constituyen la celda se realizó con
el objetivo de realizar los ensayos en condiciones cercanas a las
encontradas en la práctica, de fácil obtención y manejo. Además se debe
señalar la estrecha relación y dependencia que existe entre algunos de
ellos, tal es el caso del ánodo y el electrolito, donde se debe seleccionar un
ánodo apropiado en función del ambiente electrolítico al cual será expuesto.
•
La diferencia entre las celdas diseñadas radica en la cantidad de muestra a
evaluar, siendo mayor para el coque Loresco SC3 en comparación con el
coque colombiano debido que poseen densidades diferentes.
•
El sistema de protección catódica diseñado en campo se encuentra
expuesto a un ambiente natural que puede variar con el tiempo como
consecuencia de cambios climáticos y precipitaciones que alteran la
resistividad del suelo, por lo tanto, no se puede garantizar que el cambio de
la resistencia eléctrica en el circuito eléctrico sea originada únicamente por
el desempeño de la cama anódica.
89
•
La cama anódica diseñada en campo corresponde a un montaje a nivel de
laboratorio bajo condiciones cercanas a las encontradas en la práctica, por
tal razón, se requiere de periodos de tiempo prolongados para analizar el
desempeño del sistema.
•
Al sobredimensionar el voltaje requerido para protección catódica se
alcanzan potenciales de protección superiores a -0.85 con respecto al
electrodo
Cu/CuSO4,
además
aumenta
la
corriente
favoreciendo de esta manera el desgaste de la cama anódica.
90
del
circuito,
10. RECOMENDACIONES
•
Teniendo en cuenta el drástico crecimiento de la resistencia de la cama
anódica empleando coque colombiano, se recomienda evaluar dicho coque
bajo las mismas condiciones de operación, pero con aditivos que posean
óptimas propiedades eléctricas y con granulometría similar a la del coque
objeto de estudio.
•
Evaluar el efecto de posibles contaminantes del relleno (sulfatos, cenizas,
entre otros) en el desempeño de la cama anódica y formular un relleno que
desde el punto de vista eléctrico y granulométrico cumpla con los
parámetros exigidos en los diseños de protección catódica por corriente
impresa.
91
11. APORTES
•
Formulación de la metodología con las especificaciones y recomendaciones
para evaluar el desempeño de rellenos de coque para camas anódicas en
sistemas de protección catódica por corriente impresa a nivel de laboratorio.
•
Diseño y construcción de una celda a nivel de laboratorio para la evaluación
de coques empleados como rellenos en sistemas de protección catódica
por corriente impresa.
•
Diseño y construcción de una caja para medición de resistividades a nivel
de laboratorio.
•
Diseño del manual de instrucciones de operación y recomendaciones para
la caja de medición de resistividades.
92
BIBLIOGRAFÍA
[1] Cathodic protection Level I Training manual, 2000. NACE INTERNATIONAL.
[2] PEABODY, A. W. Control of pipeline corrosion. 2 ed. Houston, Texas: NACE
INTERNATIONAL l, 2001. v.2, p. 124-127.
[3] RP 0193-2001. External cathodic protection of on-grade carbon steel storage
tank bottoms. Standard recommended practice. NACE International.
[4] RP 0285-2002. Corrosion control of underground storage tank systems by
cathodic protection. NACE INTERNATIONAL.
[5] PARKER, Marshall E.y PEATTIE, Edward G. Pipeline, corrosion and cathodic
protection Houston.
[6] MOGOLLÓN RINCÓN, Enrique Giovanny. Obtención a nivel de laboratorio de
coque metalúrgico para su uso en protección catódica. Santafè de Bogotá, 1992.
94p. Trabajo de grado (Ingeniero Químico). Diversidad Nacional de Colombia.
Facultad de Ingeniería
[7]SHREIR, L. L.,Corrosion Control. London, 1977. 2V..
[8] VILA, Gustavo. Corrosión. Publicaciones Facultad de Ingeniería. Universidad
Nacional. Bogotá
[9] AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. . Specification for line Pipe.Exploration
and Production Department. 1995
[10] En Internet: http:// www.loresco.com
93
[11] En Internet: http:// www.mcmiller.com
[12] En Internet: http:// www.powerstream.com/Wire Size.html
[13] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS.
Standard Test
method for Field Measurement of Soil Resistivity Using the Wenner Four-Electrode
method. United States : ASTM, 1995. 5p. : il. (G-57)
[14] MORGAN, John.
Cathodic Protection NACE publication second edition.
Houston, Texas, 1987. p. 65-184
[15] RP-0177. The electrical Isolation of Cathodically Protected Structures.NACE
INTERNATIONAL,2001
[16] RP-0169-9. Control of external corrosion on underground and submerged
metallic piping system .NACE INTERNATIONAL,2001
[17] NEMA-MR-20. Rectifiers Units for Cathodic Protection,2001
94
ANEXO A
MANUAL DE INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN DE LA CAJA PARA
MEDICIÓN DE RESITIVIDADES
Generalidades.
La resistividad de las muestras se medirá según la norma ASTM G 57. utilizando:
•
Una caja plástica cuya principal característica es su relación geométrica
L/A=1 que permite escribir la ecuación R=ρL/A como R=ρ, donde L es la
distancia entre pines y A es la sección transversal de la caja.
• Un equipo de medición de resistencia eléctrica (R) marca Nilsson modelo
400 que permite lecturas de 0.01 Ohm hasta 1.1 MegaOhm.
Procedimiento de operación:
1. Cargar la muestra en la caja plástica.
2. Conectar los postes C (C1 y C2) del equipo Nilsson a los pines extremos de la
caja y los postes P (P1 y P2) a los pines adyacentes de la caja.
3. Colocar los diales D1 y D2 a máxima resistencia.
95
4. Cerrar el circuito dirigiendo el botón (S) hacia el nivel de baja sensibilidad
(LOW), con lo cual el flujo de corriente desplaza la aguja (A) hacia la derecha.
5. Disminuir el orden de magnitud de la resistencia con el dial D2 hasta que la
aguja (A) se desplace hacia la izquierda.
6. Devolver el dial D2 un orden de magnitud.
7. Devolver el dial D1 hasta que la aguja se ubique en el valor cero.
8. Aumentar la sensibilidad orientando el botón (S) hacia el nivel de alta
sensibilidad (HIGH)
9. Rotar el dial D1 hasta que la aguja finalmente se ubique en el valor cero
10. Leer los valores de D1 y D2
Resultados de la medición.
La lectura de resistencia eléctrica se toma como el producto: (D1)*(D2); así por
ejemplo, si el valor D1 es 2.5 y D2 es 1 KΩ, la resistencia será R= 2.5∗1000 =2500
Ω.
Los valores de resistividad ( ρ ) se calculan de acuerdo a la ecuación ρ = RA/L,
donde el cociente A /L se denominará factor F, luego ρ = R∗F de la siguiente
manera:
Si F = 1, entonces ρ = R, válido cuando la muestra alcanza el nivel (2) en la caja,
es decir cuando está completamente llena (ver figura 1).
96
Si F = 0.6125, entonces ρ = 0.6125*R , válido cuando la muestra alcanza el nivel
(1) en la caja (ver Figura 1)
Notas
El nivel (1) en la caja es recomendable cuando la cantidad de muestra es
reducida, es evidente que los cálculos se simplifican si se trabaja con la caja
completamente llena (nivel 2).
Se recomienda verificar que la caja y los accesorios estén completamente limpios.
La simbología de los diales se esquematiza en las fotografías 2 y 3.
97
Fotografía 2. Disposición final para la medición de resistividades.
Fotografía 3. Detalle del panel de control del equipo para la medición de
resistividades
P1
1
A
P2
1
C1
C2
2
1
D1
S
D2
98
99
ANEXO B
FOTOGRAFÍAS DE LA CELDA DE ENSAYOS
Y ACCESORIOS DE
LABORATORIO PARA EVALUACIÓN DE RELLENOS DE COQUE.
Fotografía 4. Disposición final de las dos celdas empleadas en laboratorio.
100
Fotografía 5. Vista superior de la celda de laboratorio..
Fotografía 6. Forma y característica de la cama anódica.
101
Fotografía7.Control de la red de suministro de aire para las celdas de laboratorio.
Fotografía 8 Medición del potencial de la estructura empleando el electrodo de
referencia Ag/ AgCl
102
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