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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ELÉCTRICA

DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA EL GASODUCTO ARECUNA-WESTLEJOS

Por: Fernando José Ornés Poleo

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista

Sartenejas, Junio de 2012

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA ELÉCTRICA

DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA EL GASODUCTO ARECUNA-WESTLEJOS

Por: Fernando José Ornés Poleo

Realizado con la asesoría de: Tutor Académico: Ángel Pérez

Tutor Industrial: Ángel Quiñones

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electricista

Sartenejas, Junio de 2012

DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA EL GASODUCTO

ARECUNA-WESTLEJOS

Por:

Fernando José Ornés Poleo

RESUMEN

Con el fin de manejar un incremento en la recolección de gas, PDVSA ha determinado que

es necesario ejecutar un proyecto llamado “Gasoducto para la Transmisión de Gas desde los

Nuevos Centros de Compresión y Tratamiento Arecuna, Bare y Melones hasta el Gasoducto

Anaco – Puerto Ordaz”. El presente trabajo, producto de la pasantía en la empresa PCI Ingenieros

Consultores, tuvo como objetivo el diseño de un sistema de protección catódica por corriente

impresa, responsable de aumentar la vida útil del gasoducto por 20 años. Para el logro de los

objetivos planteados se establecieron los criterios de diseño a seguir en base a las normas de

PDVSA, PEMEX y N.A.C.E. Este gasoducto consta de seis secciones de tubería. Para

dimensionar el rectificador de cada sección, se calculó el área total de la tubería a proteger para

luego hallar la corriente de protección y la caída de potencial a lo largo de la misma.

Seguidamente, se calculó el número de ánodos a instalar en cada sección y los cables a utilizar

para obtener el valor de la resistencia del circuito y finalmente dimensionar el rectificador. Este

informe de pasantía también presenta un estudio de interferencia en tuberías por efecto de líneas

de transmisión de alto voltaje. El caso estudio planteado es el de una línea de transmisión de alto

voltaje de longitud infinita que cruza sobre la Sección I del gasoducto en dos puntos. Para

calcular los niveles de inducción en las tuberías se realizó una aproximación de la ruta de éstas

por el método de aproximación para secciones oblicuas de tubería. Luego, se utilizaron las

ecuaciones de Carson-Clem para determinar la tensión inducida para las distintas secciones del

modelo de tubería. Por último mediante el modelo para el cálculo de potenciales en tubería

paralela a línea de transmisión, se obtuvieron las tensiones en distintos puntos de la misma. El

resultado del estudio arrojo niveles de tensión inducida en la tubería tres veces mayor a los

niveles permitidos por las normas N.A.C.E.

v

Dedico este trabajo a Papá y Mamá

vi

Agradezco a Dios,

Ángel Pérez, Papá,

Juan González, Ángel Quiñones,

Miguel Martínez, Alejandro Guldris y a Esther Huaman.

vii

ÍNDICE GENERAL INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 1 CAPITULO 1 .................................................................................................................................. 7 LA EMPRESA ................................................................................................................................ 7

1.1. La empresa ........................................................................................................................... 7

1.2. Misión corporativa ............................................................................................................... 7

1.3. Visión ................................................................................................................................... 7

1.4. Unidades de negocios .......................................................................................................... 8

1.5. Filosofía de servicio ............................................................................................................. 8

1.6. Servicios ofrecidos ............................................................................................................... 8

1.7. Principales clientes .............................................................................................................. 9

1.8. Estructura organizativa de la empresa ............................................................................... 10

1.8.1. Organigrama general – Nivel corporativo ........................................................... 10

1.8.2. Organigrama de proyectos ................................................................................... 10

1.9. Estructura organizativa de la unidad de investigación....................................................... 11

CAPITULO 2 ................................................................................................................................ 12 FUNDAMENTOS DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA............................................................. 12

2.1. Aspectos generales de la corrosión .................................................................................... 12

2.2. Potencial de corrosión ........................................................................................................ 12

2.3. Prevención de la corrosión por métodos electroquímicos ................................................. 14

2.4. Definición de protección catódica ..................................................................................... 14

2.5. Cómo trabaja la protección catódica .................................................................................. 14

2.6. Modelo eléctrico equivalente ............................................................................................. 16

2.7. Criterio de protección ........................................................................................................ 17

2.8. Configuraciones de ánodos ................................................................................................ 18

viii

2.8.1. Configuración distribuida .................................................................................... 18

2.8.2. Configuración remota .......................................................................................... 19

2.9. Protección catódica galvánica ............................................................................................ 19

2.10. Protección catódica por corriente impresa ......................................................................... 20

2.11. Sobreprotección ................................................................................................................. 21

2.12. Posibilidades de diseño ...................................................................................................... 22

CAPITULO 3 ................................................................................................................................ 23 FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA .............................................................................................................. 23

3.1. Estudios preliminares ......................................................................................................... 23

3.2. Criterios de protección catódica por corriente impresa ..................................................... 24

3.3. Efectos de la protección catódica ...................................................................................... 25

3.4. Materiales .......................................................................................................................... 25

3.4.1. Ánodos ................................................................................................................. 26

3.4.2. Relleno ................................................................................................................. 26

3.5. Distribución de los potenciales en el medio ...................................................................... 27

3.6. Corriente de protección ...................................................................................................... 29

3.7. Metodología propuesta para el diseño del SPC ................................................................. 30

3.8. Corriente directa máxima en cables ................................................................................... 39

CAPITULO 4 ................................................................................................................................ 42 DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA ..... 42

4.1. Ubicación geográfica ......................................................................................................... 42

4.2. condiciones ambientales .................................................................................................... 43

4.3. Criterios de Diseño ............................................................................................................ 44

4.3.1. Consideraciones del diseño del SPC ................................................................... 44

4.3.2. Información mínima necesaria para el diseño ..................................................... 44

4.3.3. Ánodos galvánicos ............................................................................................... 45

ix

4.3.4. Separación entre la estructura por proteger y los ánodos .................................... 45

4.3.5. Señalización del lecho de ánodos ........................................................................ 45

4.3.6. Puntos para medición de potencial ...................................................................... 46

4.4. Premisas y bases del diseño ............................................................................................... 46

4.4.1. Datos para el Diseño ............................................................................................ 46

4.4.2. Premisas del Cliente ............................................................................................ 46

4.4.3. Criterios de Diseño .............................................................................................. 47

4.5. Diseño ................................................................................................................................ 47

4.5.1. Tramo I Arecuna-Bare ......................................................................................... 47

4.5.1.1. Superficie total a proteger ................................................................... 48

4.5.1.2. Cálculo de la corriente total ................................................................ 49

4.5.1.3. Cálculo de potencial al final de las tuberías ........................................ 50

4.5.1.4. Selección del tipo de ánodos ............................................................... 51

4.5.1.5. Cálculo del número de ánodos ............................................................ 51

4.5.1.6. Disposición del lecho de ánodos ......................................................... 53

4.5.1.7. Cálculo de los cables eléctricos .......................................................... 53

4.5.1.8. Resistencia total del circuito ............................................................... 54

4.5.1.9. Dimensionamiento del rectificador ..................................................... 55

4.5.2. Tramo II Bare-Melones ....................................................................................... 56


4.5.2.2. Corriente total ..................................................................................... 57

4.5.2.3. Cantidad y ubicación de los puntos de inyección de corriente ........... 57




4.5.3. Tramo III. Melones - West Lejos ........................................................................ 60


4.5.3.2. Cálculo de la corriente Total ............................................................... 61

4.5.3.3. Cantidad y ubicación de los puntos de inyección de corriente ........... 62



4.5.3.6. Resistencia total del circuito ............................................................... 64


4.5.3.8. Comparación entre corriente máxima de tabla A.7 y corriente máxima calculada.............................................................................................. 65

x

CAPITULO 5 ................................................................................................................................ 67 INTERFERENCIA EN TUBERÍAS POR EFECTO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE ALTO VOLTAJE .......................................................................................................................... 67

5.1. Interferencia en tuberías por efecto de líneas de transmisión de alto voltaje .................... 67

5.2. Aproximación para secciones oblicuas de tubería ............................................................. 68

5.3. Cálculo de tensión inducida en tubería por ecuaciones de Carson-Clem .......................... 69

5.4. Modelo para el cálculo de potenciales en tubería paralela a línea de transmisión ............ 69

5.5. Metodología propuesta ...................................................................................................... 70

5.6. Caso estudio ....................................................................................................................... 71

5.7. Cálculos para la obtención de los potenciales a lo largo de la tubería .............................. 72

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................ 75 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 76 APENDICE………………………………………………………………………………………79

xi

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1 Serie Electromotriz de los Metales ................................................................................ 13

Tabla 2.2. Potencial de Protección (V) a Diferentes pH a 25°C. [6] ............................................. 18

Tabla 2.3. Valor límite del potencial aplicado para diversos tipos de pintura. ............................. 21

Tabla 2.4. Espesores mínimos para diversos recubrimientos resistentes a un potencial de –

900mV. .......................................................................................................................................... 22

Tabla 4.1 Ubicación de los Centros CCA, CCTB, CCTM y West Lejos ...................................... 43

Tabla 4.2. Datos Meteorológicos. Área: Arecuna ......................................................................... 43

Tabla 4.3 Datos de diseño.............................................................................................................. 46

Tabla 4.4. Datos de la Tubería y Aislamiento Sección 1 y 2 ....................................................... 50

Tabla 4.5. Potencial al Final de la Tubería Sección 1 y 2 ............................................................. 51

Tabla 4.6. Características de los Ánodos ....................................................................................... 51

Tabla 4.7. Resistencias del Circuito Sección 1. ............................................................................. 55

Tabla 4.8. Resistencias del Circuito Sección 2. ............................................................................. 55

Tabla 4.9. Voltaje, Corriente y Potencia del Rectificador Sección 1 y 2 ...................................... 56

Tabla 4.10. Corriente Total Sección 3 y 4 ..................................................................................... 57

Tabla 4.11. Datos de la Tubería y Aislamiento Sección 3 y 4 ...................................................... 58

Tabla 4.12. Potencial al Final de la Tubería Sección 3 y 4 ........................................................... 58

Tabla 4.13. Resistencias del Circuito Sección 3 ............................................................................ 59


Tabla 4.15. Voltaje, Corriente y Potencia del Rectificador Sección 3 y 4 .................................... 60

Tabla 4.16. Corriente Total Sección 5 y 6 ..................................................................................... 61

Tabla 4.17. Datos de la Tubería y Aislamiento Sección 5 y 6 ...................................................... 62

xii

Tabla 4.18. Potencial al Final de la Tubería Sección 5 y 6 ........................................................... 62



Tabla 4.21. Voltaje, Corriente y Potencia del Rectificador ........................................................... 65

Tabla 4.22 Comparación de capacidad máxima de corriente entre tabla usada y valores

calculados ...................................................................................................................................... 66

Tabla 5.1 Distancias obtenidas por aproximación para secciones oblicuas de tubería para el

caso estudio. .................................................................................................................................. 72

Tabla 5.2. Tensión inducida por la línea de transmisión a la tubería. ........................................... 73

xiii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Metodología usada para el diseño de la protección catódica por corriente impresa. ....... 4

Figura 2. Metodología usada para el estudio de interferencia en tuberías causadas por líneas

de transmisión de alto voltaje .......................................................................................................... 5

Figura 1.1. Organigrama general de la empresa – Nivel corporativo............................................ 10

Figura 1.2. Organigrama de proyectos PCI ................................................................................... 10

Figura 2.1. Ilustración de técnica para medición de potenciales ................................................... 13

Figura 2.2. Circuito formado por dos metales A y B. ................................................................... 15

Figura 2.3. Circuito formado por dos metales A, B y fuente externa C. ....................................... 15

Figura 2.4. Circuito equivalente para celda de corrosión .............................................................. 16

Figura 2.5. Circuito equivalente para celda de corrosión con corriente de protección ................. 17

Figura 2.6. Sistema distribuido de ánodos. .................................................................................... 18

Figura 2.7. Distribución de corriente en sistema distribuido. ........................................................ 19

Figura 2.8. Distribución de Corriente en Configuración Remota. ................................................ 19

Figura 2.9. Posibles diseños para el SPC. ..................................................................................... 22

Figura 3.1. Diagrama de estudios preliminares para el diseño de SPC ......................................... 23

Figura 3.2. Relleno alrededor del ánodo........................................................................................ 27

Figura 3.3. Distribución de los Potenciales en el Medio ............................................................... 27

Figura 3.4. Potencial en la Tubería a una Distancia x del Punto de Inyección ............................. 29

Figura 3.5. Esquema de diseño del SPC ........................................................................................ 31

Figura 3.6. Metodología usada para el diseño de la protección catódica por corriente impresa ... 31

Figura 3.7. Sección de Cilindro ..................................................................................................... 32

Figura 3.8. Circuito térmico .......................................................................................................... 39

Figura 3.9. Esquema de cálculo de la corriente máxima del conductor ........................................ 41

Figura 4.1. Ubicación Geográfica ................................................................................................. 42

xiv

Figura 4.2. Tramo I Arecuna-Bare. ............................................................................................... 48

Figura 4.3. Tramo II Bare-Melones .............................................................................................. 56

Figura 4.4. Tramo III Melones-Westlejos ..................................................................................... 60

Figura 5.1 Interferencia en Tuberías por Efecto de Líneas de Transmisión.................................. 67

Figura 5.2. Ejemplo de Aproximación para Secciones Oblicuas de Tubería ................................ 68

Figura 5.3. Modelo para el Cálculo de Potenciales en Tubería Paralela a Línea de

Transmisión. .................................................................................................................................. 69

Figura 5.4. Caso planteado cruce de línea con tubería .................................................................. 71

Figura 5.5. Geometría de Estructura Planteada 345KV ................................................................ 72

Figura 5.6. Aproximación de secciones oblicuas de tubería para el caso estudio ......................... 73

Figura 5.7. Potenciales a lo largo de la tubería .............................................................................. 74

xv

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolos en castellano

%Ar Porcentaje de área revestida

A Constante condición inicial de la tubería

Ad Distancia promedio entre dos puntos de tubería

B Constante condición final de la tubería

Ct Capacidad de drenaje anódico

Cu Cobre

Cu/CuSO4 Electrodo de cobre/Sulfato de cobre

D Diámetro del gasoducto (m)

Da Diámetro del ánodo (m)

Dl Diámetro del lecho (m)

Dm Distancia entre conductores

e Eficiencia del ánodo

E Tensión Inducida por la línea de transmisión a la tubería

Ea Fuerza electromotriz del ánodo

Ec Fuerza electromotriz del cátodo

Ep Fuerza electromotriz del electrodo auxiliar

Fs Factor de seguridad

Fst Factor de seguridad por temperatura

Fu Factor de utilización

Gs Conductividad del revestimiento por unidad de longitud

h Profundidad del lecho (m)

I Corriente

xvi

Ia Corriente máxima del ánodo

Ipd Corriente de protección en el área desnuda

Ipr Corriente de protección en el área revestida

It Corriente total de protección

J Densidad de corriente máxima recomendada

Jp Densidad estimada de corriente del área desnuda

Jr Densidad estimada de corriente del área revestida

L Longitud del gasoducto (m)

L1 Longitud de la sección 1 del gasoducto (m)

L2 Longitud de la sección 2 del gasoducto (m)

La Longitud del ánodo (m)

Lcaneg Longitud del cable negativo desde el rectificador hasta la caja de

negativos. (m)

Lcapos Longitud del cable alimentador positivo desde el rectificador hasta la caja

de positivos (m).

Lccpos Longitud del cable positivo desde la caja de positivos hasta cada una de los

ánodos. (m)

LDS Longitud de la sección

LL Longitud del lecho (m)

nc Número de ánodos estimados por consumo de material

Nccpos Número de cables positivos, desde la caja de distribución de positivos

hasta el lecho de ánodos.

ni Numero de ánodos estimados por densidad de corriente

Pc Peso total del ánodo (Kg)

Pr Peso total de material anódico requerido (Kg)

Ra Resistencia del ánodo

xvii

Rc Resistencia del cátodo

Rcables Resistencia total de los cables (Ω)

Rcaneg Resistencia del cable alimentador negativo por unidad de longitud (Ω/m).

Rcapos Resistencia del cable alimentador positivo (Ω/m).

Rccpos Resistencia del cable positivo para conectar cada ánodo (Ω/m).

Rcircuito Resistencia total del circuito (Ω)

Restructura Resistencia de la estructura (Ω)

Rlechohorizontal Resistencia del lecho de ánodos (Ω)

Rp Resistencia del electrodo auxiliar

Rs Resistencia eléctrica por unidad de longitud

r1,2 Factor de reflexión al principio y al final del tramo

ru Resistividad del recubrimiento

S Superficie total del gasoducto (m2)

S1 Superficie de la sección 1 del tramo (m2)

S2 Superficie de la sección 2 del tramo (m2)

Sa Superficie total del ánodo (m2)

Sl Espaciamiento entre ánodos (m)

U Potencial en la tubería a la distancia x

Vi Potencial en el punto de inyección

Vu Vida útil esperada (#años)

Vx Potencial a una distancia x al punto de inyección

X Distancia

Zn/Cu Latón

Z Impedancia característica de la tubería

Zm Impedancia mutua

xviii

Símbolos griegos

α Coeficiente de atenuación

Δx Distancia entre línea de transmisión y tubería

ρl Resistividad del lecho (Ω.m)

γ Coeficiente de transferencia

ω Frecuencia

xix

LISTA DE ABREVIATURAS

NACE National Association of Corrosion Engineers, en español: Asociación

Nacional de Ingenieros de Corrosión

CCA Centros de compresión Arecuna

CCTB Centro de compresión y tratamiento Bare

CCTM Centro de compresión y tratamiento Melones

IPC Ingeniería, procura y construcción (Proyectos)

LDS Longitud de sección de tubería

MMPCSD Millones de pies cúbicos estándar por día

PDO Portafolio de oportunidades de PDVSA

PDVSA Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima

SPC Sistema de protección catódica

1

INTRODUCCIÓN

La corrosión es un fenómeno espontáneo que se presenta prácticamente en casi todos los

materiales procesados por el hombre. Este proceso deteriora la integridad física de los objetos

provocando interrupciones en actividades fabriles, pérdida de productos, contaminación

ambiental, reducción en la eficiencia de los procesos, mantenimientos y diseños costosos. Por

ello anualmente se invierten miles de millones de dólares para evitar sus efectos. Según la

organización NACE (Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión), se estima que los gastos

atribuidos a los daños por corrosión representan más del 3% del producto interno bruto de los

países; solamente hablando del acero, de cada diez toneladas fabricadas por año se pierden dos y

media por corrosión. Por esta razón, cada día se desarrollan nuevos recubrimientos, se mejoran

los diseños de las estructuras, se crean nuevos materiales, se sintetizan mejores inhibidores, se

optimizan los sistemas de supervisión. Todo esto para disminuir la corrosión.

De acuerdo con el Portafolio de Oportunidades de PDVSA (PDO) para los años 2005-2024,

el gas disponible en las estaciones Arecuna, Bare y Melones, se incrementará en forma

importante para el mercado interno, debido al desarrollo de dos proyectos: “Recolección de Gas

de Baja Presión en los Campos Arecuna y Bare” y “Recolección de Gas de Baja Presión en el

Campo Melones”, ambos incluyen la recolección, compresión, tratamiento y transferencia del gas

desde las estaciones de producción, hasta la conexión con el gasoducto principal a ser ejecutado

en el proyecto “Gasoducto para la Transmisión de Gas desde los Nuevos Centros de Compresión

y Tratamiento Arecuna, Bare y Melones hasta el Gasoducto Anaco – Puerto Ordaz”, de PDVSA

San Tomé, Edo. Anzoátegui.

PDVSA ha estimado que para manejar este incremento en la recolección de gas, es necesario

la creación de un nuevo Gasoducto que permita el manejo y transporte de 349 Millones de Pies

Cúbicos Estandard por día (MMPCSD) de gas para el año 2022, conjuntamente con el ruteo y

dimensionamiento de líneas para la transmisión de gas desde los nuevos Centros de Compresión

y Tratamiento Arecuna, Bare y Melones, hasta el Gasoducto Anaco - Puerto Ordaz.

En un esfuerzo por minimizar el impacto negativo de la corrosión, las tuberías del gasoducto

deberán incluir un sistema de protección catódica.

2

Objetivo general

El Objetivo de esta pasantía es el desarrollo del diseño de un sistema de protección catódica

(SPC) por corriente impresa para el gasoducto desde los centros de compresión y tratamiento

Arecuna, Bare y Melones hasta el Gasoducto Anaco.

Objetivos Específicos

1. Revisar la bibliografía sobre los Sistemas de Protección Catódica

2. Diseñar un sistema de protección catódica por corriente impresa, basado en las

características del terreno, ambiente, tubería y revestimiento del mismo.

3. Estudiar el fenómeno de interferencia por efecto de las líneas de transmisión en la tubería y

sus efectos en la protección.

4. Brindar suficiente corriente a la estructura para que este protegida.

5. Dimensionar un sistema de ánodos de sacrificio que cumpla con el tiempo de vida

estipulado.

6. Realizar un diseño al cual se le pueda variar al rectificador, la corriente inyectada

posteriormente.

7. Proveer facilidades adecuadas de supervisión para permitir la determinación del

comportamiento del sistema.

8. Crear diseño orientado hacia la facilidad de mantenimiento, y accesibilidad de los equipos.

Metodología

En el Capítulo II, se desarrollan los conceptos de corrosión para entender como es afectada

la tubería y el principio de la protección.

El Capítulo III consiste en la descripción de los distintos tipos de Protección Catódica, para

entender y elegir el mejor sistema según sea el caso.

3

En el Capítulo IV se desarrollan los fundamentos para el diseño de la Protección Catódica

por Corriente Impresa, materiales, requerimientos, efectos producidos, comportamiento y se

propone una metodología para el diseño.

El Capitulo V consiste en el desarrollo de la ingeniería del proyecto desde el diseño hasta las

especificaciones de instalación.

Por último, el Capítulo VI explica los efectos de las líneas de transmisión sobre las tuberías,

así como modelos y métodos para cuantificar los efectos. También se propone una metodología

para el cálculo y se muestran los resultados obtenidos.

Todo proyecto de diseño de tuberías y en el caso específico para el manejo de gas, donde

existen largos recorridos a campo traviesa y a su vez enterradas, requiere de un diseño e

implementación de un sistema de protección catódica, que garantice la vida útil de la tubería y a

la vez minimizar los costos de mantenimiento.

En ese sentido al inicio del proyecto, se cuenta con toda una base de información previa

como es la ubicación geográfica, las condiciones ambientales de la zona, bases y criterio de

diseño normalmente suministrada por el cliente. Adicionalmente a esta información previa, se

inicia los estudios preliminares de campo normalmente contratados a empresas especializadas

para contar con los datos básicos de diseño como son: Estudios de suelo, donde se incluye los

valores de resistividad, PH, bacterias y otros datos bases para el inicio del Sistema de Protección

Catódica por Corriente Impresa.

Obtenida la longitud de la tubería a proteger se debe verificar que el voltaje al final de la

tubería sea menor o igual al voltaje de protección (3), En el caso de que el voltaje sea mayor al

final de la tubería es necesario disminuir la longitud de la sección estudiada y evaluar

nuevamente si cumple con el voltaje máximo de protección.

Este corriente de protección es aquella que va a proteger la estructura, y depende

fundamentalmente de la superficie total a proteger, de las características del suelo y de la

eficiencia del recubrimiento. Para hallar dicha corriente es necesario calcular la superficie total a

proteger (4), que no es más que calcular la superficie de la sección de tubería utilizando la

ecuación del cilindro, que se indica en el capítulo 4.

Un aspecto fundamental del diseño, es la determinación del número de ánodos a instalar.

Para ello se considera dos criterios:

4

a.- Número total de ánodos estimados en función de la densidad máxima de corriente

b.- Número total de ánodos estimados en función del consumo del material anódico.

A efecto de diseño, se escoge el valor mayor (6). Por último, para dimensionar el rectificador

(8) es necesario obtener la resistencia del circuito que es el resultado de la suma de la resistencia

de los cables, tubería y lecho de ánodos. Los cables se seleccionan tomando en cuenta la corriente

de protección.

Figura 1. Metodología usada para el diseño de la protección catódica por corriente impresa.

No

Sí

5

Interferencia en tubería por efecto de líneas de transmisión

Otro aspecto a considerar en el estudio del SPC, son las interferencias en tuberías causadas

por líneas de transmisión de alto voltaje.

En la figura 2. se muestra un esquema que representa la metodología usada en este trabajo

para el estudio de estas interferencias en tuberías por líneas de transmisión de alto voltaje. Para el

desarrollo del estudio en cuestión, se utilizó primeramente la aproximación de secciones oblicuas.

Este procedimiento consiste en transformar una tubería que no sea paralela a la línea de

transmisión en una sumatoria de secciones paralelas a la mencionada línea.

Posteriormente se realizaron los cálculos de las tensiones inducidas en la tubería mediante la

ecuación de Carson-Clem, tal como se indica en el capítulo 6. Con esto se obtienen los distintos

valores de tensión que produce la línea de transmisión sobre las distintas secciones de tubería.

Por último se utilizó el modelo para el cálculo de potenciales en tubería paralela a la línea de

transmisión para hallar el voltaje a lo largo de la tubería

Figura 2. Metodología usada para el estudio de interferencia en tuberías causadas por líneas

de transmisión de alto voltaje

CAPITULO 1

LA EMPRESA

1.1. La empresa

PCI Ingenieros Consultores, S.A., se constituye el 23 de Noviembre de 1.990 en la

ciudad de Maracaibo, Estado Zulia. Durante su trayectoria empresarial ha prestado servicios

a una amplia gama de clientes del Sector Petrolero, Petroquímico, Eléctrico, así como a

Instituciones Públicas y Privadas en el ámbito Nacional e Internacional.

Hoy día es considerada una de las empresas con excelentes capacidades para el Desarrollo y

Ejecución de Proyectos de Ingeniería y Servicios Profesionales de Asistencia Técnica

Integral en todas las áreas del conocimiento, por su experiencia acumulada en el sector

empresarial, que se ha potenciado con la consolidación de nuestro Sistema de Gestión de la

Calidad, esto ha permitido afrontar con éxito los más exigentes retos.

1.2. Misión corporativa

Ser una empresa de Ingeniería orientada hacia el desarrollo y ejecución de proyectos,

estudios, asesoría y prestación de servicios profesionales a organizaciones públicas y

privadas, utilizando métodos innovadores con los más altos estándares de calidad, dentro de

un ambiente de sinergia, responsabilidad y profesionalismo, en búsqueda del

reconocimiento de sus clientes, con el fin de maximizar el beneficio sobre la inversión de

sus accionistas, el bienestar de su personal y contribuir con el desarrollo del país.

1.3. Visión

Ser una empresa reconocida a nivel regional, nacional e internacional por la excelente

calidad técnica de los trabajos de ingeniería que ejecuta y los servicios profesionales que

8

ofrece, por el valor agregado que le proporciona a sus clientes, así como por el manejo de

costos competitivos, estándares de tiempo y seguridad en los proyectos que ejecuta.

1.4. Unidades de negocios

Las Unidades de Negocios de PCI Ingenieros Consultores, S.A., forman parte de una

estructura divisional geográfica por servicios, que constituyen los procesos medulares de la

empresa, los cuales están soportados por las Organizaciones de Apoyo de nuestra estructura

operativa. La Unidad de Negocio de Ingeniería desarrolla Proyectos de Ingeniería en todas

sus fases. La Unidad de Negocios de Servicios Profesionales presta Asistencia Técnica

Integral a través del suministro de personal en todas las áreas del conocimiento empresarial,

industrial e institucional, formando un engranaje enfocado a superar continuamente las

expectativas de los clientes mediante la agregación de valor a través de los servicios.

1.5. Filosofía de servicio

Con la finalidad de garantizar el suministro de los servicios de acuerdo a lo establecido

en el Sistema de Gestión de la Calidad y en los Contratos de Servicios suscritos con los

clientes, PCI Ingenieros Consultores, S.A., cuenta con una filosofía de servicio que integra

de manera armónica la Cadena de Valor del Servicio con las necesidades de los clientes,

donde se considera la planificación y la visión compartida como factor clave de éxito y la

integración de equipos de alto desempeño, haciendo énfasis en una comunicación efectiva,

en el seguimiento continuo y proactivo del desarrollo del servicio y en la búsqueda

permanente de mejores prácticas que incrementen el valor agregado, logrando superar las

expectativas del cliente.

1.6. Servicios ofrecidos

- Estudios de factibilidad

- Ingeniería conceptual y básica

- Ingeniería de detalle

- Planificación y control

9

- Estimados y control de costos

- Manuales de operación y mantenimiento

- Gerencia integral de proyectos

- Gerencia de procura

- Asistencia técnica para la supervisión e inspección de obras

- Proyectos IPC

- Asistencia técnica para arranque y puesta en marcha de instalaciones

- Asistencia técnica para valoración de bienes inmuebles

- Asistencia técnica para catastro e información espacial

- Asistencia técnica para la supervisión y construcción de Seguridad, higiene y ambiente

1.7. Principales clientes - PDVSA

- PETRORITUPANO

- PETROWAYU

- PETROBRAS

- SINCOR

- PETROCEDEÑO

- REPSOL YPF PETROQUIRIQUIRE

- PEQUIVEN

- EDELCA

- VENALUM

- CORPOELEC - CADAFE

- BP VENEZUELA HOLDING LTD

- HARVEST VINCLER - PETRODELTA

10

1.8. Estructura organizativa de la empresa

1.8.1. Organigrama general – Nivel corporativo

Figura 1.1. Organigrama general de la empresa – Nivel corporativo

1.8.2. Organigrama de proyectos

Figura 1.2. Organigrama de proyectos PCI

11

1.9. Estructura organizativa de la unidad de investigación

El líder de la disciplina electricidad depende directamente de la Gerencia de Ingeniería

de PCI Ingenieros Consultores, no existen sub-divisiones en esta área. La pasantía realizada

fue directamente supervisada por el líder de la disciplina electricidad

CAPITULO 2

FUNDAMENTOS DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA

2.1. Aspectos generales de la corrosión

Si bien existen varias definiciones, es común describir la corrosión [1], como una

oxidación acelerada y continua que desgasta, deteriora y que incluso afecta la integridad

física de los objetos o estructuras.

La corrosión es la mayor calamidad económica que conoce la humanidad; mayor que el

coste conjunto de inundaciones, huracanes, tornados, incendios y terremotos, [2]. La vida

útil del equipo en la industria se acorta como resultado de la corrosión. Los paros de las

plantas pueden ocurrir y ocurren como un resultado de la corrosión, provocando gastos

directos e indirectos de aspecto económico y humano.

Para efectos prácticos, es casi imposible eliminar la corrosión. El secreto efectivo de la

ingeniería en este campo radica en su control más que en su eliminación, siendo necesario

tomar en cuenta el fenómeno corrosivo desde el diseño de las instalaciones y no después de

ponerlas en operación. En los últimos años se han conseguido adelantos significativos en su

detección y control.

2.2. Potencial de corrosión

El potencial de un metal que se corroe es muy útil en los estudios de corrosión y se

puede obtener fácilmente en el laboratorio y en condiciones de campo [5]. Éste se

determina midiendo la diferencia de potencial existente entre el metal sumergido en un

medio corrosivo y un electrodo de referencia apropiado.

Los electrodos de referencia más utilizados:

Electrodo saturado de calomel

Electrodo normal de hidrógeno

13

Electrodo de cobre/sulfato de cobre

Electrodo de plata/cloruro de plata

Figura 2.1. Ilustración de técnica para medición de potenciales

La medición de la diferencia de potencial entre el metal que se corroe y el electrodo de

referencia se lleva a cabo con la ayuda de un voltímetro.

Al medir y reportar los potenciales de corrosión es necesario indicar la magnitud y el

signo de voltaje obtenido. La magnitud y el signo del potencial de corrosión son función del

metal, composición del electrolito y temperatura y agitación del mismo. Realizando una

serie de mediciones en metales en las mismas condiciones se obtiene la Serie Electromotriz

de los Metales o también conocida como la Tabla de Potenciales Óxido Reducción.

Tabla 2.1 Serie Electromotriz de los Metales [5] METAL POTENCIAL (V)

LITIO -3,040 POTASIO -2,924 SODIO -2,714 MAGNESIO -2,356 ALUMINIO -1,676 ZINC -0,762 CROMO -0,740 HIERRO -0,440 NIQUEL -0,236 ESTAÑO -0,130 PLOMO -0,126 HIDRÓGENO 0 COBRE +0,345 MERCURIO +0,799 PLATA +0,799 PLATINO +0,121 ORO +1,420

14

Los metales que se desplazan hacia la parte superior de la tabla son aquellos que

electroquímicamente tienen mayor tendencia a la oxidación. Al conocer estas características

electroquímicas se puede predecir el comportamiento de un metal al combinarlo con otro.

Es decir que al unir dos metales mediante un medio electrolítico puede predecirse cual va

actuar como cátodo y cual como ánodo.

2.3. Prevención de la corrosión por métodos electroquímicos

La Protección Catódica se utiliza cuando un metal se hace más catódico o negativo,

imprimiéndose una corriente eléctrica, conectándolo con otro metal más activo que el metal

del equipo que se desea proteger. Por ejemplo, cuando un equipo de acero se conecta a una

pieza de zinc, éste se corroe dando protección al hierro. En este caso el zinc es el metal

anódico y recibe el nombre de Ánodo de Sacrificio, mientras que el acero funciona como

cátodo recibiendo protección.

2.4. Definición de protección catódica

La protección catódica es el método más efectivo para reducir la corrosión de un metal.

Esto se logra haciendo que el metal que se desea proteger funcione como cátodo cuando se

encuentra en un medio electrolítico [3]. Esto se logra haciendo que el potencial eléctrico del

metal a proteger se vuelva más negativo ya sea inyectando una corriente dc o mediante la

unión de un material de sacrificio (ánodo de sacrificio).

Cuando el metal funciona como cátodo en él se desarrolla la reacción de reducción y

prácticamente no ocurre corrosión. Antes de aplicar la protección catódica, las estructuras

corroíbles presentan áreas catódicas y anódicas (donde la estructura se corroe). El fin de la

protección catódica es hacer que todas las áreas anódicas se conviertan en catódicas, y así la

estructura completa funcionaría como un cátodo y la corrosión sería eliminada.

2.5. Cómo trabaja la protección catódica

Cuando dos metales diferentes A y B se conectan y sumergen en un medio electrolítico,

se desarrolla un flujo de corriente a través del electrolito y ambos metales. [3]

15

Figura 2.2. Circuito formado por dos metales A y B. [3]

Si se crea un nuevo circuito añadiendo una fuente externa de fuerza electromotriz con

polo positivo conectado al metal C y el polo negativo conectado a A y B hará que A y B

sean más negativos debido a los electrones que fluyen hacia los mismos y el flujo de

corriente de C a B, a través del electrolito reduce el flujo neto de corriente que sale de B y

por lo tanto, se retarda la velocidad de corrosión.

Figura 2.3. Circuito formado por dos metales A, B y fuente externa C. [3]

La fuerza electromotriz puede ser suministrada por un metal más electronegativo que el

metal a proteger, o bien, mediante una fuente externa (rectificador) y un electrodo auxiliar.

16

2.6. Modelo eléctrico equivalente

Los principios de la protección catódica [3] pueden ser representados eléctricamente por

un circuito equivalente.

En la figura 2.4. ambos circuitos representan una celda de corrosión, en donde Ec y Rc

son el voltaje y la resistencia en el cátodo respectivamente, Ea y Ra son la FEM y la

resistencia en el ánodo, e I es el flujo de corriente que pasa por el circuito.

Figura 2.4. Circuito equivalente para celda de corrosión

Si se introduce al sistema un electrodo auxiliar que genere corriente similar a la de

corrosión, el circuito se puede representar como se muestra en la Figura 2.5, en la que Ep y

Rp son el voltaje y la resistencia del electrodo auxiliar.

Con el arreglo anterior, se puede ver que el flujo de corriente proveniente del ánodo, se

disminuye (I–I’), mientras que en el cátodo se incrementa.

La corrosión cesará cuando no salga corriente alguna del ánodo (I – I’ = 0), y cuando

esto ocurre, el potencial a través de Ra es cero. Dado que el potencial entre X y Y debe ser

igual, se tiene:

17

Figura 2.5. Circuito equivalente para celda de corrosión con corriente de protección

Esto quiere decir, que la condición para que exista protección es que debe fluir

suficiente corriente al sistema o estructura hasta llegar al potencial de polarización del

circuito abierto del ánodo (cero corriente).

2.7. Criterio de protección

La pérdida de iones en un ánodo cesa cuando el sistema es polarizado al potencial de

circuito abierto del ánodo. Se ha demostrado que el potencial de circuito abierto para el

acero es de –0,85 V (referido al electrodo de Cu/CuSO4) y consecuentemente, el criterio

común de protección es que el potencial de la estructura con respecto al terreno no sea

menos negativo que este valor. Sin embargo, en trabajos experimentales se ha demostrado

que los potenciales de protección varían con la temperatura, pH y si existe la presencia de

bacterias sulfato reductoras. En la Tabla 2.2 se puede observar cómo los potenciales de

protección varían con diferentes valores de pH. Por ejemplo, en el caso del acero

sumergido en soluciones que contienen bacterias sulfato reductoras, el potencial de

protección será de –0,97 V en lugar de –0,85 V.

18

Tabla 2.2. Potencial de Protección (V) a Diferentes pH a 25°C. [6]

2.8. Configuraciones de ánodos

El objetivo de la protección catódica es suministrarle a la estructura suficiente corriente

para que esta este protegida gracias a la polarización catódica. Esto quiere decir que los

ánodos deben ser colocados para distribuir la corriente lo más uniformemente posible a la

estructura.

Las configuraciones de ánodos pueden ser descritas como distribuidas o remotas.

2.8.1. Configuración distribuida

Una configuración distribuida usa ánodos espaciados a lo largo de la

estructura y a una distancia cercana a la misma [7], como se observa en la

Figura 2.6.

Figura 2.6. Sistema distribuido de ánodos. [7]

19

Figura 2.7. Distribución de corriente en sistema distribuido. [7]

2.8.2. Configuración remota

Una configuración remota usa ánodos ubicados en un lugar considerado

eléctricamente alejado de la estructura [7]. Los ánodos pueden ser instalados

horizontal o verticalmente esto dependerá del lugar de instalación.

La disposición vertical es más fácil de instalar, generalmente necesita

menos movimiento de tierra y ofrece menos resistencia que los ánodos

dispuestos horizontalmente.

Figura 2.8. Distribución de Corriente en Configuración Remota. [7]

2.9. Protección catódica galvánica

Se atribuye al inglés Sir Humphrey Davy el descubrimiento de la protección catódica,

ya que en 1824, para proteger la envoltura de cobre de los buques de guerra británicos

utilizó, por vez primera, bloques de zinc, con lo que se inició lo que se conoce en la

actualidad como protección catódica.

20

En este método se conecta el metal que se trata de proteger a otro menos noble que él,

es decir, más negativo en la serie electroquímica. Este sistema se conoce como protección

catódica con ánodos galvánicos o de sacrificio [8] y consiste realmente en la creación de

una pila galvánica en que el metal a proteger actúe forzosamente de cátodo (polo positivo

de la pila), mientras que el metal anódico se sacrifica o sea que se disuelve (polo

negativo).

Como el metal más comúnmente utilizado en la práctica por su bajo precio y alta

resistencia mecánica es el acero, los metales que se puedan conectar a él y que tienen un

potencial más negativo quedan reducidos en la práctica al zinc (Zn), al aluminio (Al) y al

magnesio (Mg) y sus aleaciones.

2.10. Protección catódica por corriente impresa

El sistema de protección catódica (SPC) con corriente impresa se llevó a cabo

aproximadamente cien años después que el de ánodos galvánicos. En este sistema de

protección catódica se utiliza la corriente suministrada por una fuente continua para

imprimir la corriente necesaria para la protección de una estructura.

Este procedimiento consiste en unir eléctricamente la estructura que se trata de

proteger con el polo negativo de una fuente de alimentación de corriente continua (pura o

rectificada) y el positivo con un electrodo auxiliar que cierra el circuito. Los electrodos

auxiliares se hacen de chatarra de hierro, aleación de hierro/silicio, grafito, titanio

platinado, etc. Es completamente indispensable la existencia del electrolito (medio

agresivo) que completa el conjunto para que se realice el proceso electrolítico.

Este sistema de protección catódica tiene la característica de que utiliza como ánodo

dispersor de la corriente (electrodo auxiliar) materiales metálicos que en mayor o menor

grado se consumen con el paso de la corriente. Sin embargo, el intercambio necesario de

corriente con el electrolito tiene lugar a través de reacciones electroquímicas, las cuales

dependen tanto del material anódico, como del ambiente que rodea al mismo e incluso de

la densidad de corriente que éste suministra.

21

2.11. Sobreprotección

Se dice que una estructura está sobreprotegida cuando la densidad de corriente

intercambiada en su superficie es mayor que la necesaria para una protección completa

[8]. En general, esta condición sucede cuando la protección catódica se efectúa mediante

el sistema de corriente impresa.

Evidentemente la sobreprotección debe evitarse, tanto porque implica un consumo

inútil de electricidad, un mayor consumo del ánodo, etc., como, y especialmente, por el

daño indirecto que puede provocar: Ampollamiento del recubrimiento, degradación del

mismo, desprendimiento de hidrógeno con posibilidad de fragilización del acero, etc.

La formación de ampollas en el recubrimiento se produce en especial cuando, aunque

sea localmente, tiene lugar el desprendimiento de hidrógeno. De hecho, si este gas se

forma en algún defecto del recubrimiento de la superficie metálica, puede llegar a ejercer

una presión elevada y provocar el desprendimiento del recubrimiento y la base metálica

quedar desprotegida.

En cualquier caso, el ampollamiento del recubrimiento debe ser evitado, para lo cual

se da normalmente un límite inferior al potencial al cual debe llevarse la estructura. En la

Tabla 2.3. se presentan los valores límites del potencial para diversos tipos de

recubrimientos o pinturas.

Tabla 2.3. Valor límite del potencial aplicado para diversos tipos de pintura [6].

En general, las pinturas pueden aplicarse con éxito aun en condiciones de

sobreprotección cuando son muy adherentes y muy resistentes químicamente, además de

que deben poseer un espesor suficiente para aumentar la impermeabilidad, en Tabla 3.4 se

indican los espesores mínimos de varios tipos de pinturas que resisten a un potencial de -

900 mV.

22

Tabla 2.4. Espesores mínimos para diversos recubrimientos resistentes a un potencial de –

900mV. [6]

2.12. Posibilidades de diseño

La Figura 2.9. brinda una visión general sobre los posibles diseños que pueden

escogerse para diseñar la protección catódica.

Figura 2.9. Posibles diseños para el SPC. [7]

Los métodos para diseñar un SPC distribuida o remota son muy diferentes entre si. La

elección de uno u otro depende de la información del ambiente, criterios de diseños y el

estimado de corriente requerida para determinar el diseño más favorable. Por lo tanto es

sumamente importante para el diseño haber obtenido los datos correctos del campo.

CAPITULO 3

FUNDAMENTOS PARA EL DISEÑO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA POR

CORRIENTE IMPRESA

3.1. Estudios preliminares

Antes de diseñar un sistema de protección catódica, es necesario realizar estudios

preliminares que son básicamente un análisis de la información existente acerca del lugar

donde se encuentra o se quiere construir la tubería, con el fin de saber la factibilidad de

ejecución y/o dimensionar correctamente el sistema protección. Algunos de estos estudios

preliminares son: la resistividad del suelo, el estudio bacteriológico y la acidez del

ambiente. Ver Figura 3.1.

Figura 3.1. Diagrama de estudios preliminares para el diseño de SPC

Estudios preliminares para

el diseño de un SPC

Resistividad Eléctrica del

suelo

Corrientes necesarias

para la protección

catódica

Acidez o alcalinidad

del ambiente

Estudio de bacterias

anaeróbicas

24

Resistividad eléctrica del suelo: es muy importante para la selección del lugar de

instalación de la protección catódica.

Acidez o alcalinidad del ambiente: Los ambientes pueden ser ácidos o alcalinos, de esto

va a depender el lugar donde se colocarán los rectificadores o los ánodos galvánicos.

Particularmente con la condición acida se necesita una densidad de corriente mayor para

mantener la protección catódica. Esto hace que sea deseable colocar las protecciones

cerca de donde se necesiten los mayores requerimientos de corriente.

Determinación de las condiciones deseables para la corrosión por bacterias anaeróbicas:

Ciertas bacterias que viven en ausencia de oxigeno, reducen sulfato y consumen

hidrógeno en el proceso. El consumo de este hidrogeno en la superficie de la estructura,

despolariza el metal y permite que el metal sufra corrosión galvánica rápidamente. Para

el efecto de la protección catódica, la actividad de bacterias anaeróbicas se traduce en

un mayor flujo de corriente para conservar la protección

Evaluación de las corrientes necesarias para la protección catódica: Consiste en hacer

que una corriente directa fluya a través de un ánodo temporal hasta la estructura en

estudio (si la hay) para determinar cuánto flujo de corriente es necesario para obtener el

nivel de polarización.

3.2. Criterios de protección catódica por corriente impresa

La Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión (Estados Unidos) [9] señala que

una estructura se encuentra protegida catódicamente en los siguientes casos.

Al obtenerse un voltaje negativo de al menos 850mV medidos entre la superficie de la

estructura y el electrodo de referencia de Cobre/Sulfato de Cobre que estará en contacto

con el medio electrolítico.

Al obtenerse una elevación negativa mínima del potencial natural de la estructura de

300mV, producida por la aplicación de la corriente de protección. Este valor se obtiene

de la diferencia entre la medición del potencial de la estructura antes y después del

arranque del SPC.

Al obtenerse una caída voltaje negativo de polarización de 100mV medido entre la

superficie y el electrodo de referencia. Esta caída del voltaje es determinada al

25

interrumpir la aplicación del SPC y medir inmediatamente el decaimiento del voltaje

que ocurre.

Cualquiera de estos criterios puede ser utilizado para la verificación de la efectividad

del SPC. Sin embargo, el más comúnmente usado es el primero debido a lo cómodo de la

medición en la cual no hay que interrumpir el suministro de la corriente de protección.

3.3. Efectos de la protección catódica

Pasado cierto tiempo después de energizar el SPC (1 a 3 días), las estructuras

conectadas muestran el efecto de la polarización. La polarización se observa como la

creación de una película de hidrógeno sobre la superficie de la estructura. Esto constituye

un factor importante en el control del flujo de corriente. Significa que la capa de

polarización puede verse como una película aislante la cual introduce una resistencia

óhmica dentro del circuito y reduce el flujo de corriente de corrosión [5]. El requerimiento

de corriente para protección se reduce una vez que se ha polarizado la estructura y puede

darse el caso de que al desconectar el sistema, este se encuentre polarizado en un potencial

cercano al de protección.

No obstante, el problema es la existencia de efectos despolarizantes que tienden a

remover la película de hidrogeno. Esto puede ser causado por rasguños en la superficie del

metal, o una fuente de oxígeno en el electrolito el cual se combina con el hidrógeno y lo

remueve. También existen bacterias sulfato reductoras, las cuales su efecto neto es la

remoción de la capa de polarización.

3.4. Materiales

Los materiales a utilizar para el diseño de la protección catódica dependerán

básicamente del medio donde se instalan y el tipo de protección a utilizar. Una vez que se

han determinado los requerimientos de corriente y el tipo de sistema a instalar, la selección

de materiales debe ser considerada.

26

3.4.1. Ánodos

Aunque teóricamente cualquier material conductor puede ser utilizado como

ánodo para sistemas de corriente impresa, los materiales utilizados son los

llamados metales inertes, pues poseen una velocidad de corrosión muy baja y una

alta capacidad de drenaje de corriente. Esto prolonga la vida útil del sistema con

menor cantidad de material.

Grafito: este material ha sido utilizado como ánodo para SPC durante muchos

años pero posee limitaciones para su uso debido a su fragilidad. Es necesario

el uso de rellenos alrededor del ánodo que disminuyan la resistividad del

medio y uniformicen la superficie de drenaje de corriente.

Hierro-Silicio-Cromo: la ventaja principal de este material es la capacidad que

posee para trabajar con densidades de corrientes más altas que el carbón,

además de ofrecer un tiempo de vida mucho más alto. También puede ser

utilizado en suelos de baja resistividad. En el pasado ha sido altamente usado

hasta el punto de ser uno de los principales ánodos recomendados en las

normas de la industria petrolera. El uso de relleno de coque es requerido para

estos ánodos.

Titanio-Platinizado y Tantalio: el éxito de estos ánodos se debe a su capacidad

de drenaje de corriente, fortaleza mecánica y poco peso.

Mezcla de Óxidos: Son diseños en los que se ha mejorado las aleaciones del

titanio con otros óxidos. Poseen gran capacidad de drenaje de corriente y son

livianos. La eficiencia ha mejorado con respecto a los de Hierro-Silicio-

Cromo.

3.4.2. Relleno

Está compuesto de tres materiales que lo describen [5]

Carbón de coque airado

Petróleo Calcinado de coque airado

Partículas de grafito

27

El relleno o Backfill, ver Figura 3.2., se aplica alrededor de los ánodos y tiene

dos propósitos fundamentales:

Incrementar el tamaño efectivo del ánodo para obtener menor resistencia a

tierra.

Soportar la desintegración del ánodo producto de la descarga de corriente

Figura 3.2. Relleno alrededor del ánodo

3.5. Distribución de los potenciales en el medio

La trayectoria de un elemento de corriente va desde la superficie del ánodo a la

superficie de la estructura protegida. [5]

El tipo de gradiente potencial es mostrado en la Figura 3.3.

Figura 3.3. Distribución de los Potenciales en el Medio.

28

El lecho de ánodos se hace positivo y la estructura negativa con respecto al medio. La

misma corriente que fluye desde el ánodo llega al cátodo, y como el cátodo normalmente

posee un área mucho más grande que el ánodo, el gradiente de potencial es más

pronunciado alrededor del ánodo.

El camino total del flujo de corriente puede ser dividido en tres secciones:

AB, la cual incluye un gran cambio de potencial alrededor de la cama de ánodos.

BC, donde la corriente fluye a través de una sección larga de suelo en donde el cambio

de potencial es casi nulo.

CD, define la región en donde la estructura experimenta una caída potencial.

El potencial entre A y B está normalmente en un rango de 10-50V, dependiendo del

tamaño del lecho de ánodos y la resistividad del lecho. El potencial CD está entre los 1-2V.

La distribución de potencial depende de:

Geometría general de la superficie protegida, medio electrolítico y los ánodos.

Resistividad del electrolito.

Conductividad del recubrimiento aislante sobre la estructura.

Resistencia de la estructura a través del camino metálico.

Tuberías:

Asumiendo constantes todas las variables definidas anteriormente, puede demostrarse

que si una corriente es inyectada a lo largo de una tubería desde una cama de ánodos

remota, el modulo del cambio de potencial de la tubería seguirá una curva hiperbólica que

puede ser aproximada a una exponencial solo cuando se cumplen las siguientes condiciones

[5]:

La resistencia del aislamiento es alta, uniforme y óhmica.

La cama de ánodos está alejada de la tubería (>80m.)

xeViVx .. (3.5.1)

29

Donde:

V: Potencial a una distancia x del punto de inyección

Vi: Potencial en el punto de inyección

α: Coeficiente de atenuación por unidad de longitud

x: Distancia

GsRs. (3.5.2)

Donde:

Rs: Resistencia eléctrica por unidad de longitud

Gs: Conductividad del revestimiento por unidad de longitud

Figura 3.4. Potencial en la Tubería a una Distancia x del Punto de Inyección

3.6. Corriente de protección

Para conocer el número de ánodos que se van a necesitar en el SPC, es fundamental

determinar la intensidad total de corriente necesaria mejor conocida como corriente de

protección ó corriente requerida, [10]. La corriente de protección viene dada por la

siguiente expresión donde Ap es la superficie a proteger y J en la densidad de corriente de

protección:

30

(3.6.1)

En el caso de una tubería enterrada Ap se divide en dos partes, el área protegida que es

aquella que posee revestimiento y el área desprotegida o desnuda que no posee

revestimiento bien sea por soldaduras, conexiones, deterioro en el revestimiento o

degradación del mismo. Estas aéreas definidas poseen a su vez distintas densidades de

corrientes de protección (J) que van a depender del material de la estructura y el medio en

donde se encuentran y son medidas de acuerdo a la siguiente expresión.

(3.6.2)

Donde ΔIm es la diferencia de corriente medida entre dos puntos de la tubería y Sp es la

superficie de la tubería entre los dos puntos mencionados.

3.7. Metodología propuesta para el diseño del SPC

En la Figura 3.5 se muestra el esquema de SPC por corriente impresa a dimensionar

Figura 3.5. Esquema de diseño del SPC

En la figura 3.6 se muestra en esquema la metodología usada para el diseño de la

protección catódica por corriente impresa en este trabajo.

31

Figura 3.6. Metodología usada para el diseño de la protección catódica por corriente

impresa.

Caída de Potencial

Con el fin de determinar si es necesario más de un punto para la inyección de corriente

a lo largo del gasoducto, debe calcularse la caída de potencial a lo largo de la tubería y

determinar donde los niveles de potencial caen por debajo de los límites de protección

Ec 3.5.1 Caída de potencial

Ec 3.5.2 Factor de atenuación

Ec 3.7.1

Potencial al final de la tubería cumple con el límite establecido

Área total de la tubería

Ec 3.7.3

Ec 3.7.4

Corriente de protección en el área revestida

Corriente de protección en el área desnuda

Ec 3.7.2 Corriente de protección

Ec 3.7.5 Cálculo superficie del ánodo

Ec 3.7.6 Corriente máxima del ánodo

Ec 3.7.7 Número de ánodos en función de corriente máxima

Ec 3.7.9 Numero de ánodos en función del consumo del material anódico

Ec 3.7.8 Material anódico requerido

Ec 3.7.10 Cálculo de cables

Ec 3.7.13

Ec 3.7.12

Ec 3.7.14

Ec 3.7.15

Longitud del lecho

Resistencia del lecho

Resistencia de los cables

Resistencia de la estructura

Ec 3.7.11 Resistencia total del circuito

Ec 3.7.16 Capacidad del rectificador

Definir longitud de tubería

No

Sí

32

aceptables. Para una tubería de diámetro y espesor uniformes revestida uniformemente,

este aumento de potencial sigue una ley exponencial, para ello se utiliza la fórmula

siguiente [8]:

xeViVx .. (3.5.1)

Donde:

V: Potencial a una distancia x del punto de inyección (V)

Vi: Potencial en el punto de inyección (V)

α: Coeficiente de atenuación (m-1)

x: Distancia (m)

El factor de atenuación (α) es función particular de la tubería considerada y viene dado

por:

GsRs. (3.5.2)

Donde:

Rs: Resistencia eléctrica (Ω/m)

Gs: Conductividad del revestimiento (Ω-1/m)

Área de la estructura a proteger

Comprende toda la superficie que estará expuesta al medio corrosivo y el cálculo de esta

es fundamental para hallar la corriente de protección a ser inyectada por el rectificador.

Figura 3.7. Sección de cilindro.

L D

33

En tuberías de diámetro y espesor uniformes se calcula el área de la estructura

utilizando la ecuación para el cálculo del área del cilindro, como se puede observar en la

siguiente ecuación [11]:

LDS .. (3.7.1)

Donde:

S: Superficie total del gasoducto (m2)

D: Diámetro del gasoducto (m)

L: Longitud del Gasoducto (m)

Corriente de Protección

Comprende la corriente requerida para proteger toda la estructura tomando en cuenta el

porcentaje de superficie máxima que estará expuesta al medio. Para obtener la

corriente de protección se utiliza la siguiente ecuación [11]:

IpdIprIt (3.7.2)

Donde:

It Corriente total de protección (A)

Ipr Corriente de protección en el área revestida (A)

Ipd Corriente de protección en el área desnuda (A)

Corriente de protección en el área revestida

Es la corriente requerida para proteger el porcentaje de superficie de la tuberia que estará

recubierta.

JrArSIpr ..% (3.7.3)

34

Donde:

Jr Densidad estimada de corriente del área revestida (mA/m2)

Corriente de protección en el área desnuda

Es la corriente requerida para proteger el porcentaje de superficie de la tubería que

estará expuesta al medio ambiente.

JpArSIpd ).%1.( (3.7.4)

Donde:

Jp Densidad estimada de corriente del área desnuda (mA/m2)

%Ar Porcentaje de área revestida

Cálculo de la superficie del ánodo

Es necesaria para calcular la corriente máxima que puede circular por el ánodo y para

calcular el número de ánodos a instalar y puede ser calculada mediante la siguiente

ecuación:

LaDaSa .. (3.7.5)

Donde:

Sa Superficie total del ánodo (m2)

Da Diámetro del ánodo (m)

La Longitud del ánodo (m)

Cálculo de la corriente por ánodo

La corriente por ánodo es la corriente máxima que circulará por el ánodo, esta

permitirá definir el numero de ánodos necesarios a instalar.

JSaIa . (3.7.6)

35

Donde:

Ia Corriente máxima del ánodo

J densidad de corriente máxima recomendada

Cálculo del número de ánodos

a. Número total de ánodos estimados en función de la densidad máxima de corriente

que puede soportar el ánodo.

Ia

Itni

(3.7.7)

b. Número total de ánodos estimados en función del consumo del material anódico

Pcnc

Pr

(3.7.8)

Donde:

ni Numero de ánodos estimados por densidad de corriente

nc Número de ánodos estimados por consumo de material

Pc Peso total del ánodo (Kg)

Pr Peso total de material anódico requerido (Kg)

Peso total de material anódico requerido Debido a que el material anódico se consume con el pasar del tiempo, este debe ser

dimensionado de tal forma que permanezca durante la vida útil requerida para el

diseño. El peso total de material anódico requerido puede ser hallado mediante la

siguiente expresión:

(3.7.9)

Ct Capacidad de drenaje anódico

36

Vu Vida útil esperada (#años)

Fu Factor de utilización

e eficiencia del ánodo

Cálculo de Cables

Una vez conocida la corriente total de protección, se procede a la selección del calibre

del conductor según su capacidad de corriente usando de la tabla A.7 y la siguiente

ecuación. [12]

Fs

ItIc

(3.7.10)

Donde:

I Corriente

Fs Factor de seguridad

Cálculo resistencia total del circuito.

El cálculo de la resistencia del circuito es fundamental para dimensionar el rectificador,

para ello es necesario sumar la resistencia de los cables, la estructura y la del lecho de

ánodos, mediante la siguiente ecuación [12]:

structurazontalRlechohoriRcablesRcircuito Re (3.7.11)

Donde:

Rcircuito Resistencia total del circuito (Ω)

Rcables Resistencia total de los cables (Ω)

Rlechohorizontal Resistencia del lecho de ánodos (Ω)

Restructura Resistencia de la estructura (Ω)

37

El cálculo de la resistencia del lecho de ánodos depende fundamentalmente del número

y la disposición de los ánodos en el terreno. Para calcular dicha resistencia se utilizó la

siguiente expresión [12]:

LL

h

h

LLLog

Dl

LLLogl

LLzontalRlechohori

.223,2.43,2.159,0 (3.7.12)

Donde:

ρl Resistividad del lecho(Ω.m)

Dl Diámetro del lecho (m)

h Profundidad del lecho (m)

LL Longitud del lecho (m)

Sl Espaciamiento entre ánodos (m)

N Número de ánodos del lecho

La longitud del lecho de ánodos es necesaria para calcular la resistencia eléctrica del

lecho de ánodos y se puede obtener mediante la siguiente ecuación:

LL=N(La+Sl) (3.7.13)

Para obtener la resistencia total de los cables, se calcula la resistencia del cable que va

desde el rectificador hasta el lecho de ánodos, la resistencia de los cables que van desde

la caja de conexiones hasta los ánodos y por último la que va desde el rectificador hasta

la tubería. Luego de esto estas resistencias se suman como se observa en la siguiente

ecuación [12]:

canegcaneg

ccpos

ccposccpos

caposcaposcables LRN

LRLRR .

).(. (3.7.14)

Donde:

38

Rcapos Resistencia del cable alimentador positivo (Ω/m).

Lcapos Longitud del cable alimentador positivo desde el rectificador hasta la caja

de positivos (m).

Rccpos Resistencia del cable positivo para conectar cada ánodo (Ω/m).

Lccpos Longitud del cable positivo desde la caja de positivos hasta cada una de los

ánodos. (m)

Nccpos Número de cables positivos, desde la caja de distribución de positivos hasta

el lecho de ánodos.

Rcaneg Resistencia del cable alimentador negativo por unidad de longitud (Ω/m).

Lcaneg Longitud del cable negativo desde el rectificador hasta la caja de negativos.

(m)

Para obtener la resistencia de la tubería, se divide el potencial de protección entre la

corriente de protección como se observa en la siguiente ecuación [12]:

It

Pprotstructura Re (3.7.15)

Donde:

Pprot: Potencial de Protección (V)

Capacidad del rectificador

Los rectificadores se utilizan para inyectar una corriente de protección a la tubería para

que ésta se polarice. Para dimensionar el rectificador utilizamos la resistencia total del

circuito calculada anteriormente y la corriente total del sistema como se observa en la

siguiente ecuación [12]:

Vrectificador = (It . Rcircuito).Cr (3.7.16)

39

Donde:

Cr porcentaje de reserva

3.8. Corriente directa máxima en cable directamente enterrado

La temperatura nominal de un conductor es la temperatura máxima, en cualquier punto

de su longitud, que el aislamiento puede soportar durante un período prolongado de tiempo

sin que se produzca daño. Ningún conductor se debe utilizar de modo que su temperatura

de funcionamiento supere la temperatura máxima de diseño.

Los principales factores para determinar la temperatura de operación de los cables son:

a) La temperatura ambiente. Esta puede variar a lo largo del conductor y con el

tiempo.

b) El calor generado interiormente en el conductor por el paso de la corriente eléctrica,

incluidas las corrientes fundamentales y sus armónicas.

c) El factor de disipación del calor generado al medio ambiente. El aislamiento térmico

que cubre o rodea a los cables, puede afectar ese factor de disipación.

Si las características térmicas no cambian con la temperatura, el circuito equivalente es

lineal y el principio de superposición es aplicable para resolver cualquier forma y problema

de flujo de calor. En la Figura 3.7 se encuentra una representación del modelo térmico [13].

Figura 3.8. Circuito térmico

La diferencia de temperatura ΔT = Tc-Ta a travez del conductor debido a la resistencia

termica viene representada por la expreción:

40

ΔT=W.Rth

Si expresamos las perdidas del conductor (W) en terminos de corriente (I) y de la

resistencia (R) mediante la siguiente expreción:

W = I2.Rdc (3.8.1)

Por lo tanto el incremento de temperatura asosiada con las perdidas en el conductor puede

escribirse como:

Tc-Ta = (I2.Rdc).Rth (3.8.2)

Entonces la ampacidad del conductor puede ser calculada mediante la siguiente expresion:

(3.8.3)

En donde:

Ta: Temperatura ambiente oC

Tc: Temperatura del conductor oC

Rdc : Resistencia dc del conductor Ω/m

TR: Resistencía térmica entre conductor y ambiente

Resistencia térmica entre el conductor y el ambiente TR es el termino más complejo de

la ecuación 3.8.3 debido a que depende de las características físicas del cable y el medio

que lo rodea. Se puede obtener TR mediante la siguiente ecuación [14]:

TR=TRi + TRj (3.8.4)

TRi: es la resistencia térmica del recubrimiento y se calcula mediante la siguiente expresión

(3.8.5)

41

TRj es la resistencia térmica de la entre el cable y el medio que lo rodea y se puede obtener

usando las expresiones siguientes:

(3.8.6)

(3.8.7)

Donde: TR: es la resistencia térmica existente entre el conductor y el medio exterior (°K m/W)

U: distancia desde la superficie hasta la superficie externa del cable (mm)

L: distancia desde la superficie del suelo al eje del cable (mm)

De: diámetro externo del cable (mm)

ρT: resistividad térmica del suelo (°K m/W)

ρr: resistividad térmica del revestimiento (°K m/W)

rin: es el radio interno del cable

rex: es el radio externo del cable

Para determinar la corriente máxima que puede circular por el cable para una

temperatura de operación dada, en régimen permanente se procede de la siguiente manera:

Figura 3.9. Esquema de cálculo de la corriente máxima del conductor

Calcular la resistencia térmica ec 3.8.4

Fijar una temperatura de operación del conductor

y de ambiente

Obtener la resistencia en dc del conductor

Obtener la corriente con la ec 3.8.3

CAPITULO 4

DISEÑO DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE IMPRESA

4.1. Ubicación geográfica

El nuevo gasoducto será alimentado por los Centros de Compresión Arecuna (CCA),

Centro de Compresión y Tratamiento Bare (CCTB) y el Centro de Compresión y

Tratamiento Melones (CCTM), ubicados geográficamente en los Municipios Francisco de

Miranda, Simón Rodríguez, Guanipa e Independencia del Estado Anzoátegui, en las

adyacencias de la estación ARED-4, al noreste de BARED-10 y la estación MED-20

respectivamente. Las coordenadas específicas de las instalaciones se muestran en la Tabla

4.1.

Figura 4.1. Ubicación Geográfica. [15]

43

Tabla 4.1 Ubicación de los Centros CCA, CCTB, CCTM y West Lejos

Lugar Latitud Longitud

CCA 8°39'11.37"N 64°20'23.73"O

CCTB 8°37'45.29"N 64° 0'24.09"O

CCTM 8°41'28.88"N 63°43'1.65"O

WEST LEJOS 8°50'7.08"N 63°35'13.85"O

4.2. Condiciones ambientales

Los datos que a continuación se presentan forman parte de las condiciones climáticas

de la zona:

Tabla 4.2. Datos Meteorológicos. Área: Arecuna [16]

Temperatura Ambiental

(°C)

Promedio Máximo: 32 (89,6°F)

Promedio Mínimo: 21 (69,8°F)

Promedio: 27 (80,6°F)

Humedad Relativa

(%)

Promedio Máximo: 85

Promedio Mínimo: 61

Viento (km/h)

Velocidad Máxima

(H =32,8ft)

48,50

(44,2pie/s)

Velocidad Básica (COVENIN) 85 (77,46pie/s)

Dirección Predominante: N-NE

Precipitación (mm)

Promedio Anual: 1010(3,31 pie)

Máxima Mensual: 204 (0,64 pie)

Altura Máx. / 24 horas: 107 (0,35 pie)

Altura S.N.M. (m) 215 (705,38 pie)

Zona Sísmica 4

Los detalles, de las zonas climáticas Arecuna, Bare y Melones se encuentran

ubicados en los anexos.

44

4.3. Criterios de Diseño

4.3.1. Consideraciones del diseño del SPC

Los rectificadores de protección catódica se instalaran en las proximidades de

las estaciones de compresión (para facilidad de supervisión, mantenimiento y

evitar hurtos).

Para que la protección catódica sea efectiva y eficiente se debe seleccionar el

sistema por corriente impresa más adecuado para cada caso particular, que

proporcione una corriente eléctrica suficiente, una distribución uniforme de la

misma en la estructura a proteger, evite interferencias y daños en el recubrimiento

anticorrosivo de tal manera que se cumpla con el criterio de protección

seleccionado.

Todos los sistemas de tuberías de acero deben contar con un sistema de

protección definitivo, en un plazo no mayor a un año posterior a la terminación de

su construcción.

4.3.2. Información mínima necesaria para el diseño

Planos de planta y perfil de la ruta del gasoducto.

Especificaciones de la tubería conexiones y otros accesorios.

Tipo y calidad del recubrimiento anticorrosivo dieléctrico.

Instalaciones adyacentes, cruces entre tuberías e interconexiones.

Cruces encamisados.

Aislamientos eléctricos.

Puentes eléctricos.

Sistemas de protección catódica existentes o propuestos.

Posibles fuentes de interferencia.

Condiciones especiales del ambiente.

Estructuras metálicas enterradas vecinas.

45

Disponibilidad de energía eléctrica.

Corrientes de agua.

Perfil de resistividad del electrolito.

Análisis físico-químicos y microbiológicos del electrolito.

4.3.3. Ánodos galvánicos

Para el diseño de un sistema de protección catódica con ánodos galvánicos se

deben considerar los puntos siguientes:

Selección del material de los ánodos a utilizar de acuerdo a la resistividad del

electrólito, costo, disponibilidad, eficiencia del ánodo y vida útil deseada

Selección de la configuración de los ánodos

Seguridad de funcionamiento

4.3.4. Separación entre la estructura por proteger y los ánodos

La separación de los ánodos a la estructura por proteger debe ser de al menos

4.5 metros y se debe emplear material de relleno con el fin de reducir su

resistencia de contacto con el suelo.

4.3.5. Señalización del lecho de ánodos

Se instalarán demarcadores o avisos en las ubicaciones de los lechos de

ánodos, con unas dimensiones de 0,4 x 0,6 m, empotrados en una base de concreto

de 0,3 x 0,3 x 1,0 m con una resistencia de 210 kg/cm2.

46

4.3.6. Puntos para medición de potencial

Se instalarán puntos para medición de potencial a todo lo largo del recorrido

de la tubería, con una separación típica de 100 m con el número de progresiva

respectivo.

4.4. Premisas y bases del diseño

4.4.1. Datos para el Diseño

Tabla 4.3 Datos de diseño

Tramo I Tramo II Tramo III

MATERIAL DE LA TUBERÍA ACERO ACERO ACERO

DIÁMETRO DEL GASODUCTO 10” 16” 20”

LONGITUD DEL GASODUCTO 52,00 km 44,00 km 26,00 km

REVESTIMIENTO DE TUBERÍA RESINA

EPÓXICA

RESINA

EPÓXICA

RESINA

EPÓXICA

4.4.2. Premisas del Cliente

La vida útil del sistema de protección catódica estará en concordancia con la

vida útil de la estructura, la cual es de 20 años como mínimo.

Todas las tuberías que entran o salen, así como las distintas zonas de

protección serán aisladas por medio de juntas aislantes.

Debido a que se utilizarán tubos revestidos con resina epóxica la máxima

tensión aplicable será de -1,5 V. [12]

Los puntos de medición se colocarán con una separación de 1 km.

Se utilizará un punto para medición de potencial conformado por una celda de

referencia fija. La celda de referencia fija será del tipo preempacadas de

cobre/sulfato de cobre (Cu/CuSO4) para medición de potencial para los

ánodos.

47

4.4.3. Criterios de Diseño

Para la realización del diseño del sistema de protección catódica se tienen en

consideración las siguientes situaciones:

La superficie a proteger está conformada por el 100 % del área superficial del

gasoducto, con la finalidad de proteger las secciones de la estructura que se

encuentren expuestas al agua y a los sedimentos.

Se utilizará una densidad de corriente de diseño (δ) de 11,0 mA/m2 (suelo

aireado y seco) para el área de superficie desnuda en el gasoducto. Ver tabla

A.1 y A.2 en anexos

Se utilizará una densidad de corriente de diseño (δ) de 0,10 mA/m2 para el

área de superficie protegida en el gasoducto. Ver tabla A.3 en anexos

Se utilizará un porcentaje de área desnuda de 14,96 % correspondiente a 20

años de servicio. Ver tabla A.4 en anexos

Se utilizarán ánodos de tipo Hierro-Silicio-Cromo aptos para suelos secos con

resistividad baja y media.

La resistividad a considerar para el Tramo I y II (progresiva 0+000 hasta

96+000) es de 4.250 Ω.m en promedio para las tres capas [15]

La resistividad a considerar para el Tramo III (progresiva 96+000 hasta

122+000) es de 4.850 Ω.m en promedio para las tres capas. [15]

4.5. Diseño

4.5.1. Tramo I Arecuna-Bare

En la figura 4.2 se muestra la ruta de tubería de 52 km desde el centro de

compresión Arecuna hasta el centro de compresión y tratamiento Bare. Este

primer tramo está dividido en dos secciones. La sección 1 desde Arecuna hasta

el seccionamiento de 23 km de longitud y la sección 2 desde seccionamiento

hasta Bare de 29 km.

48

Figura 4.2. Tramo I Arecuna-Bare.

4.5.1.1. Superficie total a proteger

La superficie a proteger será la superficie total de cada sección del

gasoducto para ello se utilizara la fórmula para el cálculo de la superficie

de un cilindro anteriormente mencionada (4.7.1):

Datos:

D: Diámetro del gasoducto (m) [10” = 0,254 m]

L: Longitud del gasoducto (m) [52 km]

L1: Longitud de la sección 1 (m) [23 km]


Calculando la superficie del gasoducto en la sección 1 y sección 2

respectivamente se obtuvieron los siguientes resultados:

S1 = π . 0,254 . 23000 = 18353,23 m2

S2 = π . 0,254 . 29000 = 23141,03 m2

49

4.5.1.2. Cálculo de la corriente total

La corriente total se calculó tomando en cuenta que el revestimiento de

la tubería se deteriora en el transcurso del tiempo. Para ello se uso el valor

del Deterioro del revestimiento a los 20 años de uso (14,96% aproximados

a 15%), que es la vida útil esperada del gasoducto, tomada de la tabla A.4

ubicada en los anexos.

El nivel de corriente necesaria para proteger el gasoducto se calculó

usando las ecuaciones (3.7.2), (3.7.3) y (3.7.4):

Ipr: Corriente de protección en el área revestida (85% del gasoducto)

Ipd: Corriente de protección en el área desnuda (≈15% del gasoducto)

El nivel de corriente de protección en las áreas revestidas se calculó

usando la ecuación (4.7.3) y será la siguiente:

Donde:

%Ar: 85% de la superficie total del gasoducto (m2)

Jr: Densidad estimada de la corriente, valor tomado de la tabla A.3

ubicada en los anexos

Ipr1 = (18353,23 . 0,85) . 0,000100 = 1,56 A

Ipr2 = (23141,03 . 0,85) . 0,000100 = 1,97 A

El nivel de corriente de protección en las áreas desnudas (14,96 % ≈ 15

%) será la siguiente:

Donde:

S: 15% de la superficie total del gasoducto (m2)

Jp: Densidad estimada de la corriente. Valor tomado de las tablas A.1 y A.2

ubicadas en los anexos

Ipd1 = (18353,23.0,15) . 0,011 = 30,28 A

50

Ipd2 = (23141,03. 0,15) . 0,011 = 38,18 A

Utilizando la ecuación (3.7.2) se obtuvo el nivel de corriente de

protección en toda el área de la tubería será la siguiente:

It1 = 1,56 + 30,28= 31,84 A

It2 = 1,97 + 38,18= 40,15 A

4.5.1.3. Cálculo de potencial al final de las tuberías

Con el fin de determinar si es necesario más de un punto para la

inyección de corriente a lo largo del gasoducto, debe calcularse la caída

de potencial a lo largo de la tubería y determinar dónde los niveles de

potencial caen por debajo de los límites de protección aceptables, para

ello se utilizan los datos de la Tabla 4.4.:

Tabla 4.4. Datos de la Tubería y Aislamiento Sección 1 y 2

Diámetro exterior en pulgadas 10,0” 0,254 m

Longitud en kilómetros sección 1 23,00 km 23.000 m


Potencial de inyección -1,200 V

Potencial final -0,850 V

Resistencia eléctrica de la tubería 3,50x10-2 Ω.mm2/m

Conductividad eléctrica del

aislamiento

1,2x10-5 S/m2

Al utilizar los datos de la Tabla 4.4 y las ecuaciones (3.5.1 y 3.5.2), se pudo

obtener el Voltaje al final de las secciones 1 y 2 de la tubería como se

puede ver en la Tabla 4.5. Estos voltajes son inferiores al voltaje máximo

permitido (-0,85V), esto indica que la estructura estará protegida en su

51

totalidad al cumplir con el criterio fundamental de la protección catódica

explicado anteriormente.

Tabla 4.5. Potencial al Final de la Tubería Sección 1 y 2

Sección 1 Sección 2

VF -1,031 V -0,991 V

α 6,61x10-6 m-1 6,61x10-6 m-1

4.5.1.4. Selección del tipo de ánodos

Debido a que el suelo es de mediana resistencia (arenoso arcilloso y

seco), se escoge el uso de ánodos de tipo Fe-Si-Cr, el cual posee un

consumo aproximado de 1,0 Kg/A.año con un factor de utilización de

0,85. En la Tabla 4.6 se encuentran las características de los ánodos

seleccionados

Tabla 4.6. Características de los Ánodos

CARACTERÍSTICAS DE LOS ÁNODOS (c/u)

MATERIAL DEL ÁNODO Fe-Si-Cr

FORMA CILÍNDRICA

LARGO 150 cm

DIÁMETRO 5 cm

PESO 22,5 kg

CAPACIDAD DE CORRIENTE 15

4.5.1.5. Cálculo del número de ánodos

Para calcular el número de ánodos es necesario obtener la corriente

máxima que puede circular a través del mismo. Para ello se debe hallar

primero el área superficial del ánodo.

52

Cálculo de la superficie del ánodo

Para calcular la superficie del ánodo se utilizo la ecuación (3.7.5)

Sa = 2.356,194 cm2

Cálculo de la corriente por ánodo

Para calcular la superficie del ánodo se utilizo la ecuación (3.7.6)

J: densidad de corriente máxima, valor tomado de la tabla A.5 ubicada en

los anexos

Ia = 2.356,194 mA ≈ 2,356 A

Número total de ánodos estimados en función de la densidad máxima

de corriente

Para calcular el número de ánodos en función a la densidad máxima de

corriente se utilizó la ecuación (3.7.7)

Sección 1

n = 31,84 / 2,356 = 13,514 ≈ 14 ánodos (como mínimo)

Incluyendo una reserva del 15 %

n = 13,514 . 1,15 = 15,541 ≈ 16 ánodos (valor estándar)

Sección 2

n = 40,15 / 2,356 = 17,042 ≈ 17,0 ánodos (como mínimo)


n = 17,042 . 1,15 = 19,597 ≈ 20 ánodos (valor estándar)

53

Número total de ánodos estimados en función del consumo de material

en los ánodos.

Para calcular el número de ánodos en función del consumo de material se

utilizó la ecuación (3.7.8)

Sección 1

n = (353,07) / (22,5) = 15,69 ≈ 16 ánodos

Sección 2

n = (445,179) / (22,5) = 19,786 ≈ 20 ánodos

4.5.1.6. Disposición del lecho de ánodos

Los lechos de ánodos de Hierro Silicio será instalado en forma

horizontal, a 3 metros de profundidad, perpendicular a la ruta del

gasoducto y separados entre sí una distancia de 7,5 m [12]

Con el fin de expandir la capacidad efectiva de los ánodos, estos serán

instalados con un relleno mezclado con coque metalúrgico y bentonita.

Los lechos de ánodos serán conectados a una caja de conexión de

positivos ubicado sobre el suelo, con el objetivo de verificar

individualmente su estado durante los 20 años de servicio al sistema.

Igualmente esto permite el reemplazo o el anexo de nuevos ánodos en

caso de que sea necesario.

Los lechos de ánodos estarán separados de la tubería a una distancia

mínima de de 150 m [12].

4.5.1.7. Cálculo de los cables eléctricos

Sección 1

54

Realizando el cálculo del conductor por capacidad de corriente y

temperatura (3.7.10), tenemos:

AI

Ic 80,398,084,31

8,0

Lo que corresponde a un cable principal (positivo y negativo) calibre # 8

AWG TTU 75°C (directamente enterrado), como alimentador de la Caja de

Distribución de Positivos y Caja de Distribución de Negativos. Según tabla

A.7. Para los ánodos poseen una máxima dispersión de corriente de 15 A,

debido a exigencias particulares del cliente utilizará un cable calibre # 12

AWG TTU 75°C.

Sección 2


temperatura (3.7.10), tenemos:

AIt

Ic 19,508,015,40

8,0

Lo que corresponde a un cable principal (positivo y negativo) calibre # 6

AWG TTU 75°C (directamente enterrado), como alimentador de la Caja de

Distribución de Positivos y Caja de Distribución de Negativos.

Para los ánodos poseen una máxima dispersión de corriente de 15 A,

debido a exigencias particulares del cliente utilizará un cable calibre # 12

AWG TTU 75°C.

4.5.1.8. Resistencia total del circuito

En las tablas 4.7. y 4.8., se muestran los resultados de las resistencias de los

circuitos para la sección 1 y la sección 2 respectivamente. Las tablas

presentan la resistencia total del circuito (Rcircuito) calculados mediante

la ecuación (3.7.11). También se puede observar los resultados de la

resistencia de los cables del circuito (Rcables), determinada por la

55

contribución de la resistencia del cable alimentador positivo (fuente y

carga), la resistencia del cable alimentador negativo (fuente y carga) y será

calculada de acuerdo a la ecuación (3.7.14). La resistencia de la estructura

(Restructura) está dada por la expresión (3.7.15) y Rlechohorizontal por la

expresión (3.7.12).

Sección 1

Tabla 4.7. Resistencias del Circuito Sección 1.

Rlechohorizontal Rcables Restructura Rcircuito

3,04 Ω 0,54 Ω 0,038 Ω 2,47Ω

Sección 2

Tabla 4.8. Resistencias del Circuito Sección 2.


2,74Ω 0,34 Ω 0,03 Ω 2,44Ω

4.5.1.9. Dimensionamiento del rectificador

El nivel de corriente a ser entregado por los rectificadores de protección

catódica de la sección 1 y 2 se calculó a través de la ecuación (3.7.16)

arrojando los resultados:

Ir1 = It . 1,20 = 31,84 . 1,20 = 38,21

Ir2= It . 1,20 = 40,15 . 1,20 = 48,18

El nivel de voltaje de los rectificadores de protección catódica de la

sección 1 y 2 se calculó a través de la ecuación (3.7.17) arrojando los

resultados mostrados en la Tabla 4.9:

Tabla 4.9. Voltaje, Corriente y Potencia del Rectificador Sección 1 y 2

56

Vr(V) Ir(A) P (KVA)

Sección 1 139,60 38,31 5,33 Sección 2 141,20 48,18 6,80

4.5.2. Tramo II Bare-Melones

En la Figura 4.3 se muestra la ruta de tubería de 44 km desde el centro de

compresión y tratamiento Bare hasta el centro de compresión y tratamiento

Melones. Este segundo tramo está dividido en dos secciones de igual longitud.

La sección 3 desde Bare hasta el seccionamiento de 22 km de longitud y la

sección 4 desde seccionamiento hasta Melones de 22 km.

Figura 4.3. Tramo II Bare-Melones.



gasoducto. Para ello se utilizará la fórmula para el cálculo de la superficie


Datos:


L: Longitud del Gasoducto (m) [44 km]


57


Calculando la superficie del gasoducto en la sección 3 y sección 4 se

obtuvieron los siguientes resultados respectivamente:

S3 = π . 0,406 . 22000 = 28060,77 m2

S4 = π . 0,406. 22000 = 28060,77 m2

4.5.2.2. Corriente total

El nivel de corriente necesaria para proteger la sección 3 y 4 del

gasoducto se calculó usando las ecuaciones (3.7.2), (3.7.3) y (3.7.4) y los

resultados obtenidos se muestran en la Tabla 4.10:

Tabla 4.10. Corriente Total Sección 3 y 4

It (A) Ipr(A) Ipd(A)

Sección 3 48,69 2,39 46,30

Sección 4 48,69 2,39 46,30

4.5.2.3. Cantidad y ubicación de los puntos de inyección de corriente

Para calcular la caída de potencial a lo largo de la tubería y determinar

donde los niveles de potencial caen por debajo de los límites de

protección aceptables, se utilizaron los datos de la Tabla 4.11.


58







Conductividad eléctrica del aislamiento 1,2x10-5 S/m2

Utilizando los datos de la Tabla 4.11 y las ecuaciones (3.5.1 y 3.5.2), se

pudo obtener el Voltaje al final de las secciones 3 y 4 de la tubería como

se puede ver en la Tabla 4.12. Estos voltajes son inferiores al voltaje

máximo permitido (-0,85V), esto indica que la estructura estará protegida

en su totalidad.



VL -1,039 V -1,039 V

α 6,56x10-6 m-1 6,56x10-6 m-1



de corriente. Sección 3 y 4


corriente utilizó la ecuación (3.7.7)

n = 20,666 ≈ 21 ánodos (como mínimo)


n = 23,766 ≈ 24 ánodos (valor estándar)

59

Número total de ánodos estimados en función del consumo de peso en

los ánodos. Sección 3 y 4


utilizó la ecuación (3.7.8) y arrojó el siguiente resultado:

n = 23,99 ≈ 24 ánodos


Sección 3 y 4


temperatura tenemos AIc 86,60 . Lo que corresponde a un cable principal

(positivo y negativo) calibre # 6 AWG TTU 75°C, como alimentador de la

Caja de Distribución de Positivos y Caja de Distribución de Negativos.

Para los ánodos se utilizarán cables calibre # 12 AWG TTU 75°C.

Resistencia total del circuito

En las tablas 4.13. y 4.14. se muestran los resultados del cálculo de las

resistencias de los circuitos para la sección 3 y la sección 4

respectivamente. Para estos cálculos se utilizaron las ecuaciones (3.7.11),

(3.7.12), (3.7.14) y (3.7.15).

Tabla 4.13. Resistencias del Circuito Sección 3


1,80Ω 0,34 Ω 0,025 Ω 2,16Ω

60

Tabla 4.14. Resistencias del Circuito Sección 4


1,80Ω 0,34 Ω 0,025 Ω 2,16Ω


El nivel de voltaje y corriente de los rectificadores de protección catódica

de la sección 3 y 4 se calcularon a través de la ecuación (3.7.16) y (3.7.17)

arrojando los resultados expuestos en la tabla 4.15.:

Tabla 4.15. Voltaje, Corriente y Potencia del Rectificador Sección 3 y 4

Vr(V) Ir(A) P (KVA)

Sección 3 151,17 58,42 8,83 Sección 4 151,17 58,42 8,83

4.5.3. Tramo III. Melones - West Lejos

En la Figura 4.4 se muestra la ruta de tubería de 25 km desde el centro de

compresión y tratamiento Melones hasta el centro de compresión West Lejos.

Este tercer y último tramo está dividido en dos secciones. La sección 5 desde

Melones hasta el seccionamiento, de 11 km de longitud y la sección 6 desde

seccionamiento hasta West Lejos, de 14 km.

Figura 4.4. Tramo III Melones-Westlejos.

61



gasoducto para ello se utilizara la fórmula para el cálculo de la superficie



L: Longitud del Gasoducto (m) [25 km]



Calculando la superficie del gasoducto en la sección 5 y sección 6

respectivamente se obtuvieron los siguientes resultados

S5 = π . 0,508. 11000 = 17555,26 m2

S6 = π . 0,508 . 14000 = 22343,06 m2

4.5.3.2. Cálculo de la corriente Total

El nivel de corriente necesaria para proteger la sección 5 y 6 del gasoducto

se calculó usando las ecuaciones (3.7.2),(3.7.3) y (3.7.4) y los resultados

obtenidos se muestran en la Tabla 4.16.:

Tabla 4.16. Corriente Total Sección 5 y 6

It (A) Ipr(A) Ipd(A)

Sección 5 30,46 1,49 28,97 Sección 6 38,76 1,90 36,87

62

4.5.3.3. Cantidad y ubicación de los puntos de inyección de corriente

Para calcular la caída de potencial a lo largo de la tubería y determinar donde

los niveles de potencial caen por debajo de los límites de protección

aceptables, se utilizaron los datos de la Tabla 4.17.








Conductividad eléctrica del aislamiento 1,2x10-5 S/m2

Utilizando los datos de la Tabla 4.17. y las ecuaciones (3.5.1 y 3.5.2), se

pudo obtener el voltaje al final de las secciones 5 y 6 de la tubería, como se

puede ver en la tabla 4.18. Estos voltajes son inferiores al voltaje máximo

permitido (-0,85V), esto indica que la estructura estará protegida en su

totalidad.



VL -1,117 V -1,095 V

Α 6,55x10-6 m-1 6,55x10-6 m-1

63


Para calcular el número de ánodos es necesario obtener la corriente

máxima que puede circular a través del mismo. Para ello se debe hallar

primero el área superficial del ánodo.

Sección 5


de corriente


corriente utilizó la ecuación (3.7.7)




Número total de ánodos estimados en función del consumo de peso en

los ánodos


utilizó la ecuación (3.7.8) y arrojó el siguiente resultado.

n = 15,01 ≈ 16 ánodos

Sección 6


de corriente




Número total de ánodos estimados en función del consumo de peso en los

ánodos

64

n = 19,103 ≈ 20 ánodos


Sección 5



(positivo y negativo) calibre #8 AWG TTU 75°C, como alimentador de la

caja de distribución de positivos y caja de distribución de negativos. Para

los ánodos se utilizará un cable calibre #12 AWG TTU 75°C.

Sección 6



(positivo y negativo) calibre # 6 AWG TTU 75°C, como alimentador de la

caja de distribución de positivos y caja de distribución de negativos. Para

los ánodos se utilizará un cable calibre # 12 AWG TTU 75°C.

4.5.3.6. Resistencia total del circuito

En las Tablas 4.19. y 4.20., se muestran los resultados del cálculo de las

resistencias de los circuitos para la sección 5 y la sección 6 del gasoducto.

Para estos cálculos se utilizaron las ecuaciones (3.7.11), (3.7.12), (3.7.14) y

(3.7.15).

Sección 5

Tabla 4.19. Resistencias del circuito sección 5


2,47Ω 0,54 Ω 0,039 Ω 3,05Ω

65

Sección 6

Tabla 4.20. Resistencias del circuito sección 6


2,07Ω 0,34 Ω 0,031 Ω 2,44Ω


El nivel de voltaje y corriente de los rectificadores de protección catódica

de la sección 5 y 6 se calcularon a través de la ecuación (3.7.16) y (3.7.17)

arrojando los resultados expuestos en la Tabla 4.21:

Tabla 4.21. Voltaje, corriente y potencia del rectificador secciones 5 y 6

Vr(V) Ir(A) P (KVA)

Sección 5 133,60 36,55 4,88

Sección 6 136,40 46,51 6,34

4.5.3.8. Comparación entre corriente máxima de tabla A.7 y corriente máxima

calculada.

Los cables fueron directamente enterrados a una profundidad de 0,7 m.

Utilizando la ecuación (4.8.3) y empleando los coeficientes de resistencia

térmica del suelo 0,6oKm/W y 1,2oKm/W que corresponden a valores

estándar para suelos húmedos y suelos muy secos respectivamente [17], la

temperatura ambiente se fijo en 40oC y temperatura nominal del conductor

en 75oC. Se obtuvieron los resultados mostrados en la Tabla 4.22, donde se

evidencia que los conductores para las condiciones estudiadas pueden

soportar hasta 258% la carga nominal. Por lo tanto los cables seleccionados

pueden ser instalados.

66

Tabla 4.22 Comparación de capacidad máxima de corriente entre tabla

usada y valores calculados

Calibre

AWG

Resistencia

x10-3

(Ω/m)

Capacidad

de

corriente

tabla

usada (A)

Resistencia

térmica del

recubrimiento

oK m/W

Capacidad

corriente

(A)

calculada

con

resistividad

térmica 0.6 oK m/W

Capacidad

corriente

(A)

calculada

con

resistividad

térmica 1.2 oK m/W

TR

con

resistividad

térmica 0.6 oK m/W

TR

con

resistividad

térmica 1.2 oK m/W

12 5.32 20 0.314 59 76 0.615 1.231

8 2.10 40 0.136 106 142 0.543 1.086

6 1.32 55 0.087 138 192 0.503 1.006

CAPITULO 5

INTERFERENCIA EN TUBERÍAS POR EFECTO DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE

ALTO VOLTAJE

5.1. Interferencia en tuberías por efecto de líneas de transmisión de alto voltaje

La interferencia en tuberías por efecto de líneas de transmisión (ITPLT) no solo resulta

peligroso para las personas que puedan estar en contacto con la tubería sino también puede

traer como consecuencia el deterioro de la protección catódica [18].

Se entiende por ITPLT como el cambio de potencial y corriente en la tubería debido al

efecto electromagnético producido por las líneas de alta tensión. Cuando una línea de alta

tensión transporta una determinada corriente eléctrica, se produce un campo magnético

alrededor de los conductores que al entrar en contacto con la tubería genera tensión

conocida como “tensión inducida” descrita por la ecuaciones de Maxwell.

La tensión inducida es proporcional a la corriente y la longitud de exposición mutua

entre la línea y la tubería, y es inversamente proporcional a la distancia entre ellas.

Figura 5.1 Interferencia en tuberías por efecto de líneas de transmisión.

68

5.2. Aproximación para secciones oblicuas de tubería

Para obtener una aproximación en el caso de una ruta de tubería que no esté en

paralelo con la línea de transmisión, es decir que presente secciones oblicuas con pocas

curvaturas y pocos cambios en dirección, la tubería puede ser aproximada como una

sumatoria de curvas promedio [10]. En la Figura 5.2 se puede observar un ejemplo de

aproximación para secciones oblicuas.

Figura 5.2. Ejemplo de aproximación para secciones oblicuas de tubería.

Para considerar la sección oblicua como una sección paralela con una distancia relativa Ad

desde la línea de transmisión, puede ser calculada mediante la siguiente expresión [10]:

(5.2.1)

En donde:

Ad representa la distancia promedio entre dos puntos de la tubería a1 y a2 que se observan en la

Figura 5.2

La distancia entre a1 y a2 no puede ser elevada debido a que pierde precisión en los

cálculos. Mientras más divisiones se realicen más precisos serán los cálculos, por lo tanto es

se utiliza como criterio la siguiente expresión [19]:

(5.2.2)

69

5.3. Cálculo de tensión inducida en tubería por ecuaciones de Carson-Clem

La impedancia mutua puede ser expresada por la formula (5.3.1), donde Dm es la

distancia entre el conductor y la tubería [19]. Los términos ΔRc y ΔjXc son los términos de

corrección que están alrededor al 1% del valor de Zm y serán descartados para este estudio.

(5.3.1)

La tensión inducida para la configuración simple terna viene dada por la expresión:

(5.3.2)

5.4. Modelo para el cálculo de potenciales en tubería paralela a línea de transmisión

Para calcular el voltaje en la tubería debido a la tensión inducida E producido por la

línea de transmisión se utilizó el siguiente modelo:

Figura 5.3. Modelo para el cálculo de potenciales en tubería paralela a línea de transmisión.

[10]

ω=2πf, f es la frecuencia a la cual opera la línea (en este caso 60Hz). Para los cálculos se

tienen las siguientes aproximaciones.

70

La tubería es paralela a la línea de transmisión

El campo magnético no varía a lo largo de la sección

Los valores R’,G’,Z’,Y’, ru son constantes

La resistividad del suelo no varía

Los potenciales a lo largo de la tubería se pueden obtener mediante la ecuación (5.4.1),

donde U es el potencial de la tubería a una distancia x, donde las variables A y B resultan

de las condiciones terminales entre la tubería y la línea de transmisión [8]:

(5.4.1)

Coeficiente de transferencia depende de la impedancia Z´ y la admitancia Y´ que son

cantidades características de la tubería [8]:

(5.4.2)

Impedancia característica de la tubería [8]:

(5.4.3)

Para calcular los términos de las ecuaciones (5.4.2) y (5.4.3) es importante revisar el

contenido indicado en la bibliografía [8].

5.5. Metodología propuesta

El siguiente procedimiento es usado para calcular los niveles de inducción en las tuberías

[21].

Obtener una aproximación de la ruta de tubería que esté en paralelo con la línea de

transmisión, por el método de aproximación para secciones oblicuas de tubería

Determinar las distancias entre conductores y tubería del nuevo modelo de ruta de

tubería paralela a la línea de transmisión

71

Utilizar las ecuaciones de Carson-Clem para determinar la tensión inducida para las

distintas secciones del modelo de tubería

Utilizar el Modelo para el cálculo de potenciales en tubería paralela a línea de

transmisión para obtener las tensiones en distintos puntos de la tubería.

5.6. Caso estudio

Para realizar el estudio que se presenta continuación, se propone el caso hipotético de

una línea de transmisión de alto voltaje de gran longitud (longitud infinita) que cruza la

sección 1 del Tramo I Arecuna-Bare, como refleja la Figura 5.4.

Figura 5.4. Caso planteado cruce de línea con tubería.

La línea de transmisión planteada ver Figura 5.5 transmite corriente nominal a 500A a

60Hz con tensión nominal de 345kV [18], simple terna configuración horizontal.

72

Figura 5.5. Geometría de Estructura Planteada 345KV.

5.7. Cálculos para la obtención de los potenciales a lo largo de la tubería

Aplicando el método de aproximación para secciones oblicuas de tubería a la sección

uno del gasoducto después de definir la ruta de la línea de transmisión, se obtuvo la Tabla

5.1 utilizando las ecuaciones (5.2.1) y (5.2.2) donde LDS es la longitud de la sección y Δx

es la distancia entre la línea y la sección.

Tabla 5.1 Distancias obtenidas por aproximación para secciones oblicuas de tubería para el

caso estudio.

Sección LDS (m) Δx (m) Sección LDS (m) Δx (m) 0-1 35 5077 11-12 691 184 1-2 1065 3143 12-13 210 73 2-3 1131 1455 13-14 117 31 3-4 391 507 14-15 4754 20 4-5 156 190 15-16 44 0 5-6 44 79 16-17 39 15 6-7 74 0 17-18 106 41 7-8 70 89 18-19 299 114 8-9 165 242 19-20 737 305 9-10 477 603 20-21 2170 826 10-11 1858 543 21-22 2456 1837

73

La representación gráfica de la aproximación para las secciones oblicuas de la tabla 5.1

se puede observar en la siguiente Figura 5.6.

Figura 5.6. Aproximación de secciones oblicuas de tubería para el caso estudio.

Utilizando las ecuaciones de Carson-Clem (5.3.1) y (5.3.2) se halló la tensión inducida en

las secciones aproximadas. Ver Tabla 5.2.

Tabla 5.2. Tensiones inducidas por la línea de transmisión a la tubería.

Sección E(mV/m) Sección E(mV/m) 0-1 0,0982 11-12 2,6899 1-2 0,1587 12-13 6,4177 2-3 0,3428 13-14 11,8813 3-4 0,9817 14-15 13,2728 4-5 2,5983 15-16 3,0256 5-6 6,0098 16-17 12,6647 6-7 3,0256 17-18 10,1494 7-8 5,3637 18-19 4,2634 8-9 2,0539 19-20 1,6277 9-10 0,8263 20-21 0,6039 10-11 0,9118 21-22 0,2715

74

Para finalizar, se elaboró un gráfico, ver Figura 5.7., que muestra el potencial a lo largo

de la tubería. El potencial fue calculado usando las ecuaciones (5.4.1), (5.4.2) y (5.4.3).

Los resultados fueron comparados con trabajos [20] y [21] anteriores y son coherentes.

Figura 5.7. Potenciales a lo largo de la tubería.

En la figura 5.7 se puede observar que los potenciales en la tubería con el método de cálculo

propuesto exceden los 15 V. De acuerdo a las normas N.A.C.E. RP0177 se deben utilizar

métodos de mitigación para reducir el potencial en la tubería o sufrirá corrosión. Algunos

métodos de mitigación contemplan aumentar la distancia entre la tubería y la líneas de alta

tensión durante la etapa de diseño del proyecto, también se pueden instalar sistemas de

aterramiento o equipos como son las celdas de polarización.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5000 10000 15000 20000 25000

Vo

ltaj

e (

V)

Longitud de tubería (m)

75

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Es sumamente importante que el informe bacteriológico y sobretodo el estudio de resistividad

de los suelos se desarrolle con la mayor precisión posible para que arroje datos confiables. Este

informe es la base de este estudio y diseño, ya que la toma de decisiones y por lo tanto la

ingeniería, están basadas en la información suministrada por él. En el caso de este libro, un

estudio de suelos deficiente o erróneo generaría como consecuencia un diseño de protección

catódica y análisis de interferencias por líneas de alto voltaje y sobretensiones defectuoso. Sin

contar la cantidad de capital perdido de ejecutarse o no el proyecto.

Es necesario que el tratamiento de la tubería con la resina epóxica y su posterior transporte e

instalación se ejecuten con cuidado ya que cualquier deterioro de la capa de protección aumentará

la velocidad de envejecimiento del gasoducto.

Sería ideal que el sistema de protección catódica incluyera un sistema de monitoreo que arroje

valores de voltaje y corriente, ya que estos pueden variar debido a efectos climáticos,

interferencias de distinta índole, deterioro del recubrimiento o simplemente envejecimiento. Esto

para saber si se están violando los límites de voltaje de la tubería o los ánodos. Y que exista la

opción de variar remotamente estos parámetros en el rectificador para así aumentar eficazmente

la vida útil del gasoducto.

Es necesario que con cierta periodicidad revise en la caja de conexiones las corrientes que

fluyen por los ánodos para revisar el estado de los mismos.

Para disminuir la resistencia del lecho de ánodos se solicitó que el terreno fuese tratado con

coque para posteriormente instalar los ánodos con su respectivo relleno.

Los resultados del caso hipotético de interferencia de tuberías por efecto de líneas de

transmisión de alto voltaje con el método de cálculo propuesto, arrojan que se deben utilizar

métodos para reducir el potencial en la tubería debido a que excede los 15 V de acuerdo a las

normas N.A.C.E. RP0177.

76

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Costs and Preventive Strategies in the United States”. U.S Department of Transportation.

No FHWA-RD-01-156.

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Rebombeo/Dos Bocas de la Región Marina Suroeste en la sonda de Campeche”.

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(2002).

[4] Universidad de Alicante. Departamento de Química Física. Alicante, España. Disponible

en internet: http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/8227/1/CorrTema1.pdf, consultado el

25 de Agosto de 2010

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Gas Bachaquero III”. Informe de Pasantía. Sartenejas. (1998)

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económica, Mexico D.F. (1996)

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Gulf Professional Publishing. Houston. (1997)

[9] NACE. RP0169-2002. “Control de Corrosión en Sistemas de Tuberías Enterradas o

Sumergidas”. (2002)

77

[10] Parker, M., Peattie, E. “Pipe Line Corrosion and Cathodic Protection” 3a edición, Gulf

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[11] PEMEX. No PROY-NRF-047-PEMEX-2007, p15 “Diseño, Instalación y Mantenimiento

de los Sistemas de Protección Catódica”. (2007)

[12] PDVSA HA-201. Vol. 4-1 “Especificación de ingeniería. Criterios de diseño para

sistemas de protección catódica”, Manual de Ingeniería de diseño. (2005)

[13] Newton, G. “Understanding the Neher-McGrath Calculation and the Ampacity of

Conductors” (2000)

[14] Baker, G., Durham, M. “Correlations of Submersible Cable Performace to Neher-

McGrath Ampacity Calculation” Vol 28, No 2, IEEE, (2009)

[15] PDVSA. Documento Nº B0577-52004-BE70901 “Informe de Medición de Resistividades

del Suelo y Análisis Bacteriológico y Físico-Químico” (2009)

[16] Referencia: Bases y Criterios de Diseño – Área Arecuna-Bare. Ingeniería Conceptual -

Proyecto “Gasoducto para la Transmisión de Gas desde los Nuevos Centros de

Compresión y Tratamiento Arecuna, Bare y Melones hasta El Gasoducto Anaco-Puerto

Ordaz”, DITECH, Mayo 2006.

[17] Nacional Electric Code NFPA70 edition 2011

[18] Bera, E., Villereal, J., Panqueva, J. “Procesos de corrosión debidos a corrientes alternas

inducidas (60Hz)” (1996)

[19] Christoforidis, G.C., Labridis, D.P., Dokopoulos, P.S. “AC Interference on a Gas Pipeline

Caused by Nearby Power Lines In a Complex Right-of-Way” (2004)

78

[20] Bortels, L., Purcar, M. “Manage Pipeline Integrity by Predicting and Mitigating High

Voltage AC Interference” (2009)

[21] Markovic, D. “Induced Currents in Gas Pipelines Due to Nearby Power Lines” University

of Wollongong (2005)

79

APENDICE

Tabla 1. Densidades de corrientes requeridas para protección catódica de acero desnudo en diversos medios [12].

Tabla 2. Densidades de corriente de diseño en mA/m2 [11].

80

Tabla 3. Densidades de corriente requeridas para protección catódica de estructuras metálicas revestidas [12].

Tabla 4. Eficiencia del revestimiento [12].

Años de servicio de la instalación

Deterioro del revestimiento (%)

0 1.01

1 1.16

2 1.32

3 1.51

4 1.73

5 1.98

6 2.27

7 2.60

8 2.97

9 3.40

10 3.89

11 4.45

12 5.09

13 5.82

14 6.66

15 7.63

16 8.73

17 9.99

18 11.43

19 13.07

20 14.96

81

Tabla 5. Potencial máximo entre la superficie recubierta y el electrolito [12].

Tabla 6. Propiedades de los conductores de cobre (Cableado Clase B, Cobre Blando) [12].

82

Tabla 7. Datos meteorológicos. Área: Arecuna [16].

Temperatura

Ambiental

(°C)




Humedad Relativa

(%)



Viento

(km/h)

Velocidad Máxima

(H =32,8ft)

48,50

(44,2pie/s)

Velocidad Básica (COVENIN) 85 (77,46pie/s)


Precipitación

(mm)

Promedio Anual: 1010(3,31 pie)



Altura S.N.M. (m) 215 (705,38 pie)

Zona Sísmica 4

Tabla 8. Datos meteorológicos. Área: Bare [16].

Temperatura

Ambiental

(°C)




Humedad Relativa

(%)



Viento

(km/h)

Veloc. Máxima (H =32,8ft) (km/h) 48,50

(44,2 pie/s)

Veloc. Básica (COVENIN) 85 (77,46pie/s)


Precipitación

(mm)

Promedio Anual: 1010 (3,31 pie)



Altura S.N.M. (m) 185 (606,96 pie)

Zona Sísmica 4

83

Tabla 9. Datos meteorológicos. Área: Melones [16].

Temperatura

Ambiental

(°C)

Promedio Máximo: 32 °C (89,6°F)

Promedio Mínimo: 21 °C (69,8°F)

Promedio: 27 °C (80,6°F)

Humedad Relativa

(%)



Viento

(km/h)

Veloc. Máxima (H =10m) 48,50 (44,20 pie/s)

Veloc. Básica (COVENIN) 85 (77,46 pie/s)


Precipitación

(mm)

Promedio Anual: 1010 mm

(39,76 pulg)

Máxima Mensual: 204 mm (8,03 pulg)

Altura Máx. / 24 horas: 107 mm (4,21 pulg)

Altura S.N.M. 182,70 m (599,41 pie)

Zona Sísmica 4

000155076.desbloqueado

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