universidad tecnolÓgica...
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS
DISEÑO DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA CON
ÁNODOS DE SACRIFICIO PARA CONTROL DE CORROSIÓN
EN UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE CRUDO, EN LA
ESTACIÓN BAEZA VILLANO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO DE PETRÓLEOS
MARIO ANDRÉS TOLEDO PALACIOS
DIRECTOR: ING. FAUSTO RAMOS AGUIRRE, MSC.
Quito, marzo 2017
-
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2017
Reservados todos los derechos de reproducción
-
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1720501509
APELLIDO Y NOMBRES: Toledo Palacios Mario Andrés
DIRECCIÓN: Las Casas y Salvador Rivera
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: (02) 2233386
TELÉFONO MOVIL: 0984831283
DATOS DE LA OBRA
TÍTULO : DISEÑO DE UN SISTEMA DE
PROTECCIÓN CATÓDICA CON
ÁNODOS DE SACRIFICIO
PARA CONTROL DE
CORROSIÓN EN UN TANQUE
DE ALMACENAMIENTO DE
CRUDO, EN LA ESTACIÓN
BAEZA VILLANO.
AUTOR O AUTORES: Mario Andrés Toledo Palacios
FECHA DE ENTREGA DEL
PROYECTO DE TITULACIÓN:
04 de mayo del 2017
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN:
Ing. Fausto Ramos Aguirre, MSC.
PROGRAMA PREGRADO
POSGRADO
TÍTULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero de Petróleos
RESUMEN: El presente estudio facilitará
el diseño de protección
catódica por ánodos de
sacrifico con la corriente
x
x
-
impresa, la corrosión es un
proceso electroquímico que
afecta de manera directa a los
equipos y materiales de la
industria petrolera, para poder
realizar este tipo de protección
catódica en este caso tanques
de almacenamiento debemos
tener en cuenta ciertos
parámetros como, la
resistencia del material al
medio ambiente, la velocidad
en la que se corroe este
equipo, el tiempo de
resistencia del material sin
ningún tipo de protección y
parámetros que son muy
importantes al momento de los
cálculos. Uno de los
principales problemas para
que exista la corrosión es el
agua de formación que viene
emulsionada o mezclada con
el crudo, este fluido actúa
como una celda que permite
oxidar más rápidamente los
equipos, el agua de formación
viene con sales y solidos que
aceleran el proceso corrosivo.
Hay varios tipos de
tecnologías que se utilizan
para controlar y disminuir y
controlar la velocidad de
-
corrosión de un metal, entre
ellos los revestimientos
químicos, el galvanizado, la
aplicación de inhibidores
fílmicos, la protección catódica
y la protección catódica con
ánodos de sacrificio y
corriente impresa.
Para asegurar el correcto
funcionamiento de la
tecnología de protección
catódica, los cálculos
correctos para estos métodos
de protección están dentro de
las normas técnicas NACE
Standard Recommended
Practice, standard RP 019-93.
Si la corrosión no se controla
dentro de la industria petrolera
puede haber pérdidas
económicas muy altas.
PALABRAS CLAVES: Ánodos de sacrificio, corriente
impresa con ánodos de
sacrificio, propiedades
electroquímicas.
ABSTRACT:
The present study will facilitate
the design of cathodic
protection by sacrificial
anodes with the printed
current, corrosion is an
electrochemical process that
directly affects the equipment
and materials of the petroleum
-
industry, to be able to realize
this type of cathodic protection
in this case Storage tanks we
must take into account certain
parameters such as the
resistance of the material to
the environment, the speed at
which this equipment is
corroded, the material
resistance time without any
protection and parameters that
are very important at the time
of the Calculations. One of the
main problems for corrosion is
the formation water that comes
emulsified or mixed with the
oil, this fluid acts as a cell that
allows to oxidize equipment
more quickly, the formation
water comes with salts and
solids that accelerate the
Corrosive process. There are
several types of technologies
that are used to control and
decrease and control the
speed of corrosion of a metal,
including chemical coatings,
galvanizing, application of film
inhibitors, cathodic protection
and cathodic protection with
sacrificial and current anodes
Printed.
To ensure the correct
-
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio
Digital de la Institución.
Mario Andrés Toledo Palacios
operation of the cathodic
protection technology, the
correct calculations for these
protection methods are within
the NACE Standard
Recommended Practice
standard, standard RP 019-93.
If corrosion is not controlled
within the oil industry there
can be very high economic
losses.
KEYWORDS
Sacrificial anodes, printed
current with sacrificial anodes,
electrochemical properties,
corrosion inhibitors.
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DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, MARIO ANDRÉS TOLEDO PALACIOS, CI 1720501509 autor del
proyecto titulado: DISEÑO DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA
CON ÁNODOS DE SACRIFICIO PARA CONTROL DE CORROSIÓN EN
UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE CRUDO, EN LA ESTACIÓN
BAEZA VILLANO. Previo a la obtención del título de Ingeniero de Petróleos
de la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las
Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de
la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en
formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea
integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del
Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial
a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de
generar un Repositorio que democratice la información, respetando las
políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, marzo 2017
TOLEDO PALACIOS MARIO ANDRÉS
CI: 1720501509
-
DECLARACIÓN
Yo MARIO ANDRÉS TOLEDO PALACIOS, declaro que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para
ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
MARIO ANDRÉS TOLEDO PALACIOS
C.I. 1720501509
-
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título Diseño de un sistema
de protección catódica con ánodos de sacrificio para control de
corrosión en un tanque de almacenamiento de crudo, en la estación
Baeza Villano que, para aspirar al título de INGENIERO DE PETRÓLEOS
fue desarrollado por Mario Andrés Toledo Palacios, bajo mi dirección y
supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y
cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de
Titulación artículos 19, 27 y 28.
-
DEDICATORIA
Este trabajo lo quiero a dedicar a mis padres, Alba Palacios y Mario Toledo y
a mi hermana Daniela Toledo, que han sido mi apoyo en la carrera que e
seguido para llegar a ser un profesional y una persona de bien, sin ellos esto
no hubiera sido posible, ya que son la principal razón de mi vida.
También dedico este trabajo a mis familiares en especial a mi abuelita Alcira
Molina que ha estado siempre ahí apoyándome en todas las decisiones que
he tomado en la vida, muchas gracias.
A mis amigos que me han apoyado en las buenas y malas durante este
ciclo de estudios.
Mario
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AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por llevarme en el camino del bien e iluminarme y darme
la oportunidad de seguir una carrera.
A mis padres que me dieron el apoyo tanto moral como económico para
poder culminar mis estudios y enseñándome día a día lo que significa la
responsabilidad y lo buenos valores.
Agradezco al Ing. Fausto Ramos, por apoyarme en el presente trabajo y por
las clases impartidas dentro del ciclo académico obteniendo así los
conocimientos suficientes para aplicarlos en el área laboral.
Al Ing. Vinicio Melo por ayudarme en el proceso de realización del trabajo
de titulación y por los conocimientos impartidos en clases.
Al Ing. Ramón Correa por proporcionarme los datos suficiente para hacer el
trabajo y por su buena voluntad.
Y finalmente agradezco a la Universidad Tecnológica Equinoccial, que me
abrió las puertas para poder seguir la carrera que con tanto anhelo deseaba
y por la excelente educación que recibí en esta institución.
Mario
-
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN 1
ABSTRACT 2
1. INTRODUCCIÓN 3
1.1 OBJETIVOS 11
1.1.1 OBJETIVO GENERAL 11
1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 11
2. METODOLOGÍA 12
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 14
3.1 ECUACIONES PARA EL CÁLCULO Y DISEÑO DE MALLA
DE ÁNODOS DE SACRIFICIO 14
3.1.1CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN DEL TANQUE DE
A ALMACENAMIENTO 14
3.1.2 CÁLCULO DE VIDA ÚTIL DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO 14
3.2 CÁLCULOS DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR
CORRIENTE IMPRESA EN EL TANQUE DE
ALMACENAMIENTO 15
3.2.1 CÁLCULO DEL ÁREA A PROTEGER DEL TANQUE DE 15
ALMACENAMIENTO 15
3.2.2 CÁLCULO DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE 16
3.2.3 CÁLCULO DE LA CORRIENTE DE PROTECCIÓN O INTENSIDAD
DE CORRIENTE 16
3.2.4 CÁLCULO DE LA MASA ANÓDICA 16
3.2.5 CÁLCULO DEL NÚMERO DE ÁNODOS PARA EL SISTEMA 17
3.2.6 RESISTENCIA DEL ÁNODO CON EL RELLENO 17
3.2.7 VOLTAJE DE SALIDA DEL RECTIFICADOR 17
3.2.8 CAPACIDAD DEL TRANSFORMADOR 18
3.3 PARÁMETROS PARA LOS CÁLCULOS DE DISEÑO DE
PROTECCIÓN CATÓDICA EN EL TANQUE DE
ALMACENAMIENTO TM10-TK1-001C DE LA
ESTACIÓN BAEZA VILLANO 18
3.4 RESULTADOS DEL DISEÑO DE PROTECCIÓN CATÓDICA
-
ii
EN EL TANQUE DE ALMACENAMIENTO TM10-TK1-001C
DE LA ESTACIÓN BAEZA VILLANO 20
3.4.1 ELECCIÓN DEL TRANSFORMADOR RECTIFICADO 23
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 24
4.1 CONCLUSIONES 24
4.2 RECOMENDACIONES 24
5. BIBLIOGRAFÍA 25
6. ANEXOS 27
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iii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Fuerza Electromotriz en los Metales 4
Tabla 2. Vida útil de ánodos 6
Tabla 3. Ánodos Galvánicos 6
Tabla 4. Datos del tanque de almacenamiento 18
Tabla 5. Datos para el cálculo del número de ánodos y el transformador 19
Tabla 6. Resultados de los cálculos para el tanque de almacenamiento 20
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iv
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Protección catódica en tanque de almacenamiento 5
Figura 2. Ánodo de sacrificio dentro del tanque de almacenamiento 7
Figura 3. Ánodos colocados al exterior de los tanques 7
Figura 4. Tanque de techo fijo 9
Figura 5. Estructura de tanque de techo fijo auto-soportado 9
Figura 6. Tanque de almacenamiento de la estación Baeza Villano 13
Figura 7. Datos del tanque de almacenamiento TM10-TK1-001 13
Figura 8. Corte de ánodos de magnesio para el suelo 19
Figura 9. Ánodos dentro del tanque distribuidos a 120° cada uno 21
Figura 10. Distribución de ánodos 21
Figura 11. Distribución de ánodos 22
Figura 12. Tanque protegido por el diseño 22
Figura 13. Transformador Rectificador 23
-
v
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO 1. Datos del tanque de almacenamiento TM10-TK1-001C 27
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1
RESUMEN
El presente estudio facilitará el diseño de protección catódica por ánodos de
sacrifico con la corriente impresa, la corrosión es un proceso electroquímico
que afecta de manera directa a los equipos y materiales de la industria
petrolera, para poder realizar este tipo de protección catódica en este caso
tanques de almacenamiento debemos tener en cuenta ciertos parámetros
como, la resistencia del material al medio ambiente, la velocidad en la que
se corroe este equipo, el tiempo de resistencia del material sin ningún tipo
de protección y parámetros que son muy importantes al momento de los
cálculos. Uno de los principales problemas para que exista la corrosión es el
agua de formación que viene emulsionada o mezclada con el crudo, este
fluido actúa como una celda que permite oxidar más rápidamente los
equipos, el agua de formación viene con sales y solidos que aceleran el
proceso corrosivo. Hay varios tipos de tecnologías que se utilizan para
controlar y disminuir y controlar la velocidad de corrosión de un metal, entre
ellos los revestimientos químicos, el galvanizado, la aplicación de inhibidores
fílmicos, la protección catódica y la protección catódica con ánodos de
sacrificio y corriente impresa. Para asegurar el correcto funcionamiento de la
tecnología de protección catódica, los cálculos correctos para estos
métodos de protección están dentro de las normas técnicas NACE Standard
Recommended Practice, standard RP 019-93. Si la corrosión no se controla
dentro de la industria petrolera puede haber pérdidas económicas muy altas.
PALABRAS CLAVES: Ánodos de sacrificio, corriente impresa con ánodos de sacrificio, propiedades electroquímicas
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2
ABSTRACT
The present study will facilitate the design of cathodic protection by sacrificial
anodes with the printed current, corrosion is an electrochemical process that
directly affects the equipment and materials of the petroleum industry, to be
able to realize this type of cathodic protection in this case Storage tanks we
must take into account certain parameters such as the resistance of the
material to the environment, the speed at which this equipment is corroded,
the material resistance time without any protection and parameters that are
very important at the time of the Calculations. One of the main problems for
corrosion is the formation water that comes emulsified or mixed with the oil,
this fluid acts as a cell that allows to oxidize equipment more quickly, the
formation water comes with salts and solids that accelerate the Corrosive
process. There are several types of technologies that are used to control and
decrease and control the speed of corrosion of a metal, including chemical
coatings, galvanizing, application of film inhibitors, cathodic protection and
cathodic protection with sacrificial and current anodes Printed. To ensure the
correct operation of the cathodic protection technology, the correct
calculations for these protection methods are within the NACE Standard
Recommended Practice standard, standard RP 019-93. If corrosion is not
controlled within the oil industry there can be very high economic losses.
KEY WORDS: Sacrificial anodes, printed current with sacrificial anodes, electrochemical properties.
-
1. INTRODUCCIÓN
-
3
1. INTRODUCCIÓN
La corrosión, es un fenómeno que afecta a todos los metales, en especial al
hierro, esto se debe a que estos materiales tratan de regresar a su
estado original de oxidación. Las herramientas y equipos en este caso los
tanques de almacenamiento, están expuestos a sufrir cambios en su
estructura físico-química debido a que están permanentemente expuestos a
los hidrocarburos y sus derivados, se debe proteger estos tanques porque la
reparación o el cambio son altamente costosos (Di Caprio, 2003).
Este desgaste es producido por un mecanismo espontáneo con el que la
naturaleza revierte los procesos de obtención de los materiales, causando la
alteración o destrucción de la mayor parte de los bienes fabricados por el
hombre. La experiencia ha enseñado que los metales comunes poseen
diferentes tendencias a corroerse .El acero inoxidable no es un material
indestructible. La corrosión puede revertir a un acero, que es una forma no
natural de hierro, en su óxido natural: la hematita (Fe2O3), mineral de color
rojizo, que no es más que la herrumbre coloquialmente llamado “óxido” (Di
Caprio, 2003).
Este es un proceso electroquímico, se acelera con la presencia de agua en
el crudo se sabe que dentro del crudo existen emulsiones y esto hace que
los equipos que están sometidos a estos fluidos se corran mucho
más rápido ya que la presencia de agua y sales acelera este proceso; los
agentes corrosivos que aceleran el proceso son: el ion hidrogeno este está
indicada por el pH que tiene el agua, los gases disueltos como el dióxido de
carbono, sulfuro de hidrogeno, ácido sulfúrico y oxígeno y los ácidos
orgánicos como el ácido nafténico especialmente a altas temperaturas (Di
Caprio, 2003).
En la industria petrolera se puede definir como el deterioro electroquímico
o químico de un cierto material el cual está compuesto de un metal y que
está expuesto a variaciones naturales en el medio ambiente. Cuando un
metal se expone al agua sufre una serie de procesos electroquímicos,
estos son impulsados por un circuito eléctrico y una fuente de voltaje,
esto genera un potencial del metal (Parra, 2012).
Se puede diferenciar por medio de una tabla la fuerza electromotriz que los
metales exponen cuando estos se corroen, esta tabla tiene como punto
inicial el electrodo de hidrógeno.
El valor generado del potencial electromotriz depende de:
La composición del metal
Del agua a la que está expuesta
-
4
La temperatura del medio
La velocidad de flujo
La velocidad de corrosión del material
Tabla 1. Fuerza Electromotriz en los Metales
Energía para refinar
Metal Potencial (Volts)*
Tendencia a corroerse
Más energía Menos energía
Magnesio Aluminio Zinc Hierro Estaño Plomo Hidrógeno Cobre Plata Platino Oro
-2.37 -1.66 -0.76 -0.44 -0.14 -0.13 0.00 +0.34 a +0.52 +0.80 +1.20 +1.58 a +1.68
Mayor Menor
(Fiber Glass Colombia, 2000)
Si más bajo es el potencial electromotriz de un metal es más fácil que se
corroa, siempre el metal de menor potencial se va a perjudicar frente a un
metal más resistente, por eso se observa que el metal con menor tendencia
a la corrosión es el oro (Parra, 2012).
Por medio de un circuito de corrosión o una celda de corrosión, se
puede decir que el proceso de desgaste electroquímico de los metales
empieza a surgir se necesitan cuatro elementos para que esto suceda
(Ramos, 2010).
Estos son:
Cátodo
Ánodo
Puente metálico
Electrolito
Dentro de la industria hidrocarburífera existen varios tipos de corrosión la
principal división en lo que se refiere a estos son de dos tipos, la corrosión
uniforme, es cuando la corrosión de un metal es pareja en la zona
afectada, esto quiere decir que el metal se desgastó de manera
homogénea, esto se puede determinar por medio de la velocidad a la cual el
metal sufre el ataque y el tiempo a la que está expuesto el metal a la
corrosión y la corrosión localiza, cuando el metal se corroe o sufre corrosión
en un punto localizado de este, este tipo de corrosión puede dañar
absolutamente un punto directo del metal (Ramos, 2010).
-
5
La corrosión puede estar aleada a otros fenómenos, esto hace que la
velocidad de desgaste sea mayor (PETROLITE, 2007).
Por ejemplo:
Erosión.
Esfuerzos mecánicos.
Corrosión por bacterias
La corrosión afecta a equipos y herramientas en la industria petrolera de
manera abrupta y esto genera pérdidas para la industria por eso se ha
desarrollado varios procesos para el control de la corrosión (Sanaguano,
2012).
Entre los principales están:
Recubrimientos y revestimientos
Protección catódica
Inhibidores de corrosión
Selección de materiales
Los de alta relevancia son:
Recubrimientos metálicos.
Recubrimientos orgánicos.
Recubrimientos inorgánicos.
Protección catódica.
Ánodos de sacrificio.
Figura 1. Protección catódica en tanque de almacenamiento
(Barrera, 2010)
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6
Tabla 2. Vida útil de ánodos
Metal anódico Capacidad corriente teórica (A- año/kg)
Rendimiento %
Zinc (Zn) 0.094 95
Aluminio (Al) 0.340 90
Magnesio (Mg) 0.251 50
(Girón, 2005)
Los ánodos de sacrificio se consumen según algunos factores los cuales
son:
Demanda de energía
Resistividad del electrolito y Ánodo (material del cual está hecho)
En la tabla 3 se observa todos los usos para los materiales diferentes de
los ánodos.
Tabla 3. Ánodos Galvánicos
MEDIO CORROSIVO MATERIAL ANÓDICO
Suelos Zinc-Magnesio (rango 1500-2000 Ω-cm)
Aguas Magnesio
Aguas de Mar Aluminio
Fondo Marino Zinc- Aluminio
(Girón, 2005)
El método de corriente impresa tiene algunos componentes los cuales son:
Ánodos de sacrificio
Este tipo de material actúa cuando es difícil la obtención de energía para
instalar un sistema de corriente impresa en la maquinaria de la industria
petrolera.
Ánodos
Este tipo de ánodos necesariamente deben estar instalados con corriente
impresa, para esto los ánodos deben ser de materiales esencialmente
hechos con grafito ya que este ayuda a que la circulación de corriente sea
mejor, otros materiales que son óptimos para que la protección sea efectiva
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7
es la magnetita o la combinación de óxidos metálicos, estos ánodos
pueden estar conectados de forma individual o colectiva, con esto se puede
conectar este circuito a lado negativo de una fuente directa por medio de
un rectificador, para el diseño de estas instalaciones se toma en cuenta
varias características que se redactara en el capítulo 3 (Parra, 2012).
Figura 2. Ánodo de sacrificio dentro del tanque de almacenamiento
Rectificadores
Es un equipo que permite transformar la corriente alterna en corriente
continua para poder seguir con la instalación de este tipo de ánodos ya que
los voltajes no pueden ser muy altos para que este sistema de protección
contra la corrosión funcione adecuadamente (Parra, 2012).
Figura 3. Ánodos colocados al exterior de los tanques
(Girón, 2005)
Se utiliza un material de relleno después de que los ánodos estén en el
agujero donde se los va a enterrar. La composición recomendada del relleno
auxiliar para el tanque TM10-TK1-001C de la estación Baeza Villano dado
por la empresa Agip Oil Ecuador es de:
75% sulfato de calcio.
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8
20% arcilla bentonítica.
5% sulfato de sodio.
Se debe compactar de una forma adecuada para mejorar la resistencia del
ánodo.
El relleno auxiliar mejora la operación del sistema debido a que:
Disminuye la resistencia ánodo – tierra
Retiene humedad, la cual es necesaria para la debida operación del
ánodo
Permite una operación uniforme del ánodo, reduciendo el ataque
selectivo
Los inhibidores de corrosión son sustancias que al contacto con un fluido
produce un desgaste disminuyendo la velocidad de este, para que el
material expuesto al daño se conserve por mucho más tiempo, estos están
hechos de sustancias químicas específicas que crea una especie de película
en el material que se va a proteger (Parra, 2012).
Los inhibidores de corrosión deben cumplir con los siguientes objetivos:
1. Se relaciona muy bien con los elementos metálicos que debe
proteger y reacciona bien ante la corrosión.
2. Forma una película anticorrosiva que proteja la estructura metálica,
debe tener una buena condición ante la fricción ser insoluble ante el
agua.
3. Reacciona rápidamente ante los agentes corrosivos y su tiempo de
duración es prolongado.
Los tanques de almacenamiento son equipos construidos con la finalidad
de abarcar o almacenar crudo y sus derivados en lugares estratégicos
dentro de la industria petrolera como son, estaciones de bombeo, facilidades
de superficie, refinerías, etc. (Obando, 2010).
Dentro de la subdivisión existen los tanque de almacenamiento con techo fijo
estos generalmente se utilizan para productos no volátiles como el crudo,
agua, diésel, asfalto, etc. Debido a que al disminuir la columna del fluido, se
va generando una cámara de aire que facilita la evaporación del fluido, lo
que es altamente peligroso (Sisa, 2015).
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9
Figura 4. Tanque de techo fijo
(Barrera, 2010)
Para esta investigación es muy importante tomar en cuenta los tanques de
techo fijo ya que con este tanque se diseñara el sistema de protección
catódica, estos tanques se dividen en:
Techos con soporte
Techos con auto soporte
Figura 5. Estructura de tanque de techo fijo auto-soportado
(Ramos, 2010)
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Normas para la protección catódica y diseño de los tanques de almacenamiento, se necesita conocer brevemente las normas para los tanques de almacenamiento, el diseño, el uso, la protección contra la corrosión.
API Standard 620 (1990): Es aplicable a grandes tanques
horizontales o verticales soldados en el campo, aéreos que operan a
presiones en el espacio vapor menores a 2.5 psig pero no superior a
15 psig. y a temperaturas no superiores a 93°C (Gómez, 2007).
API Standard 650 (1998): Esta norma que fija la construcción de
tanques soldados para el almacenamiento de petróleo. La presión
interna al que puede estar sometido es de 15 psig y una temperatura
máxima de 90˚C .Con estas características, son aptos para almacenar
la mayoría de productos producidos en una refinería (Gómez, 2007).
API Specification 12D: Se aplica a tanques horizontales o verticales
soldados en el campo para almacenaje de líquidos de producción y
con capacidades estandarizadas entre 75m3 (470 barriles) y 1500 m3
(9435 barriles), (Gómez, 2007).
API Specification 12F: Se aplica a tanques horizontales o verticales
soldados en taller para almacenaje de líquidos de producción y con
capacidades estandarizadas entre 13.5 m3 (85 barriles) y 75 m3 (470
barriles), (Gómez, 2007).
API Standard 653 (1991): Se aplica a la inspección, reparación,
alteración desmontaje y reconstrucción de tanques horizontales o
verticales, basándose en las recomendaciones del STD API 650.
Recomienda también la aplicación de las técnicas de ensayos no
destructivos aplicables (Gómez, 2007).
ISO 15589-1:2003: Industrias del petróleo y gas natural –Protección
catódica de ductos y transporte terrestres.
NACE Standard Recommended Practice, standard RP 019-93 “Ex
ernal Cathodic Protection of On-Grade Metallic Storage Tank
Bottoms” Protección Catódica externa para fondos de tanques
dealmacenamiento práctica recomendada RP 019-93.
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1.1 OBJETIVOS
1.1.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema de protección catódica con ánodos de sacrificio y
corriente impresa para el control de corrosión en un tanque de
almacenamiento de crudo, en la estación Baeza Villano de la empresa Agip
Oil Ecuador.
1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Diferenciar el tipo de tanque de almacenamiento y el tipo de fluido para el
diseño de protección catódica por medio de datos de la estación Baeza
Villano
Analizar y calcular el sistema de protección catódica con ánodos de sacrificio
para el tanque TM10-TK1-001C de la estación Baeza Villano.
Diseñar el sistema de protección catódica para el tanque de
almacenamiento TM10-TK1-001C en la estación Baeza Villano.
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2. METODOLOGÍA
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2. METODOLOGÍA
El proyecto tiene como finalidad realizar un diseño de protección catódica
con ánodos de sacrificio y corriente impresa en el tanque de
almacenamiento TM10-TK1-001C, ya que la vida útil de la protección
contra la corrosión ha expirado y se debe hacer un nuevo diseño el mismo
se realiza en la estación Baeza Villano de la empresa Agip Oil Ecuador
Recopilar los datos requeridos para los cálculos de diseño del
sistema de protección catódica.
Calcular la vida útil y resistencia de los ánodos a la corrosión
Escoger de manera adecuada el ánodo de sacrificio que cumpla con
los estándares indicados.
Calcular la corriente impresa que se necesitará para la protección del
tanque de almacenamiento.
Cálculo del número de ánodos de sacrificio y estimación de la corriente
impresa que se necesita para la protección del tanque de almacenamiento
por medio de fórmulas y técnicas especificadas en la Norma, NACE
Standard Recommended Practice, standard RP 019-93.
En el tanque TM10-TK1-001C se aplicarán los métodos de cálculos
aprobadas por las normas API y NACE indicadas en la introducción, se
realizara dentro del tanque como fuera y escogiendo así la mejor opción
para proteger el tanque de almacenamiento.
Para el diseño de protección catódica en los tanques de almacenamiento la
metodología a aplicar es la revisión de fuentes bibliográficas y la obtención
de los datos en la fuente misma; esta estación está constituida
elementalmente para la transferencia de crudo hacia los oleoductos del
SOTE y de la OCP, básicamente esta estación cuenta con tres tanques de
almacenamiento de techo fijo que tiene una capacidad de 75000 bl/dia,
además estos están conectados a un sistema automático que es
monitoreado las 24 horas por los ingenieros de planta, tiene bombas
para enviar el crudo almacenado directamente a los oleoductos, el crudo
que se almacena aquí en esta estación es de 18.7 grados API, los
tanques están construidos con las normas vistas anteriormente, en tanque
TM10-TK1-001C la vida útil de la protección catódica ha expirado por eso se
debe realizar un diseño nuevo con ánodos de sacrificio y corriente impresa a
continuación se observa la fotografía de tanque mencionado:
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Figura 6. Tanque de almacenamiento de la estación Baeza Villano
Figura 7. Datos del tanque de almacenamiento TM10-TK1-001
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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
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3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 ECUACIONES PARA EL CÁLCULO Y DISEÑO DE MALLA DE ÁNODOS DE SACRIFICIO
3.1.1 CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE CORROSIÓN DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO
Este cálculo proporciona la velocidad que tiene la corrosión por cada año
que pasa, esto permitirá diferenciar el espesor actual del espesor anterior
que se toman en las medidas cuando se realiza las inspecciones de los
tanques.
Se calcula de la siguiente manera:
𝑉𝑐 =(𝐸𝑜−𝐸𝑚)
𝑇 [1]
Dónde:
Vc: velocidad de corrosión, en pulgadas por año.
Eo: espesor de placa original o el medido en una inspección anterior, en pulgadas. Em: espesor de la placa medido durante la inspección en curso, en
pulgadas.
T: tiempo de servicio en el lapso considerado, en años.
3.1.2 CÁLCULO DE VIDA ÚTIL DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO
En esta ecuación se obtiene el espesor mínimo de los tanques de
almacenamiento.
𝑉𝑢 =(𝐸𝑚−𝐸𝑚𝑖𝑛)
𝑉𝑐 [2]
Dónde:
Vu: vida útil estimada, en años.
-
15
Vc: velocidad de corrosión, en pulgadas por año.
Em: espesor de la placa medido durante la inspección en curso, (0.562) en
pulgadas
Emín: espesor mínimo requerido según la norma de construcción utilizada,
(0.489) en pulgadas.
3.2 CÁLCULOS DE PROTECCIÓN CATÓDICA POR
CORRIENTE IMPRESA EN EL TANQUE DE
ALMACENAMIENTO
3.2.1 CÁLCULO DEL ÁREA A PROTEGER DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO
Calcular el área de protección.
AB = fπDH [3]
Dónde:
AB: área a proteger, en m2
f: porcentaje de área desnuda, %
π: 3.1416
D: diámetro del tanque a proteger, en m
H: altura del tanque a proteger, en m
Posteriormente se calcula el área de la tapa y del fondo, se multiplica por 2
por efectos de cálculo.
At = πr2 × 2 [4]
At: área de protección, en m2
π: 3.1416
r²: radio de protección, en m2
Para obtener el área a proteger se debe hacer la sumatoria de las dos áreas.
-
16
ABT = AB + AT [5]
AB: área 1, en m2
AT: área 2, en m2
3.2.2 CÁLCULO DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE
Densidad de corriente alterna para cálculos:
DC = 13.351 × Log (105.523
𝜌) [6]
Dc: densidad de corriente, en mA / m2
𝜌: resistividad del suelo, en ohm*cm
3.2.3 CÁLCULO DE LA CORRIENTE DE PROTECCIÓN O INTENSIDAD
DE CORRIENTE
Se debe calcular la corriente de protección si esta es mayor a 5 A hay que
colocar corriente impresa según la norma NACE Standard Recommended
Practice.
𝐼𝑃𝐶 = 𝐴𝐵𝑇 × 𝐷𝐶 [7]
𝐼𝑃𝐶: corriente de protección, en A
ABT: área de protección, en m2
DC: densidad de corriente, en mA / m2
3.2.4 CÁLCULO DE LA MASA ANÓDICA
La vida útil del diseño está basada en los cálculos de la velocidad de
corrosión con la que las placas del tanque se desgastan, esta duración de
diseño es de 15 años.
W = Ipc ∗ Dr ∗ Dl [8]
Dónde:
W: peso total de masa anódica, en kg
Dr: disipación del ánodo, en kg/A-año
Dl: vida de diseño del sistema, en años.
Ipc: Corriente de protección
-
17
3.2.5 CÁLCULO DEL NÚMERO DE ÁNODOS PARA EL SISTEMA
N =W
WA [9]
Dónde:
N: número de ánodos requeridos.
W: peso total de la masa anódica.
WA: peso de cada ánodo, en kg (magnesio)
3.2.6 RESISTENCIA DEL ÁNODO CON EL RELLENO
𝑅𝑣 =0.00159 𝜌∗2.3 log
8𝐿
𝑑 1
𝐿 [10]
Dónde:
Rv: resistencia de un ánodo vertical a tierra en Ω
𝜌 : resistencia del suelo o del material de relleno en Ω (25 ohm-cm Backfill
sin compactar), dato obtenido en la empresa Agip Oil Ecuador en
el departamento de mantenimiento
L: longitud del ánodo, en m
d: diámetro del ánodo, en m
3.2.7 VOLTAJE DE SALIDA DEL RECTIFICADOR
V = Rt ∗ Ipc [11]
Dónde:
V = voltaje de Salida del Rectificador, voltios
Rt = resistencia Total del circuito, ohm
Ipc = intensidad de corriente requerida, en amperios
Resistencia total del circuito
Rt = Rc + Re + Rg [12]
-
18
Rt: resistencia total del circuito
Rc: resistencia de los cables del circuito en, ohm (fabricante) Re: resistencia del contacto a tierra de la estructura a proteger, ohm (campo) Rg: resistencia cama anódica, en ohm (calculada)
3.2.8 CAPACIDAD DEL TRANSFORMADOR
C = Ipc ∗V
EF∗1000 [13]
Dónde:
C = capacidad del transformador, en KVA
E = eficiencia del rectificador (80%)
Ipc = intensidad de corriente (C.D.) del rectificador, en amperios
V = voltaje (C.D.) del rectificador, en voltios
F = factor de potencia del transformador (0.80)
3.3 PARÁMETROS PARA LOS CÁLCULOS DE DISEÑO DE PROTECCIÓN CATÓDICA EN EL TANQUE DE ALMACENAMIENTO TM10-TK1-001C DE LA ESTACIÓN BAEZA VILLANO
Tabla 4. Datos del tanque de almacenamiento
DATOS DEL TANQUE UNIDADES
Diámetro del tanque 36.5675 m
Altura del tanque 12.144 m
Capacidad del tanque 75000 Bls
Eficiencia de revestimiento 90%
API a 600 F 18.7
Espesor original del diámetro de la placas
de acero del tanque de almacenamiento 0.562 pulg
Espesor medido del diámetro de la
placas de acero del tanque de
almacenamiento
0.489 pulg
Tiempo de servicio 15 años
( Agip Oil Ecuador, 2016)
-
19
Por medio de estos datos se puede calcular el área de protección, la
velocidad de corrosión, la densidad de corriente y la corriente de protección,
si la corriente de protección es mayor a 5 A se debe colocar un sistema de
corriente impresa para el cálculo del transformador, (Norma019-93, 2010) se
debe tomar en cuenta los siguientes datos
Tabla 5. Datos para el cálculo del número de ánodos y el transformador
DATOS DEL ÁNODO DE SACRIFICIO UNIDADES
Magnesio -
Peso 4.09 Kg
Longitud 2.25 m
Diámetro 0.075 m
Disipación del ánodo 0.113 Kg/año
Resistencia cable del circuito 0.25 ohm
Resistencia del contacto 0.26 ohm
( Agip Oil Ecuador, 2016)
Con esto se calcula el número de ánodos y que transformador vamos a
escoger para instalar el sistema de corriente impresa.
Figura 8. Corte de ánodos de magnesio para el suelo
(Parra, 2012)
-
20
3.4 RESULTADOS DEL DISEÑO DE PROTECCIÓN CATÓDICA EN EL TANQUE DE ALMACENAMIENTO TM10-TK1-001C DE LA ESTACIÓN BAEZA VILLANO
A continuación se analiza los resultados de los cálculos para el diseño de
protección catódica.
Tabla 6. Resultados de los cálculos para el tanque de almacenamiento
RESULTADOS UNIDAD
Velocidad de corrosión. Ec (1) 0.004866 pulg/año
Vida útil del tanque. Ec (2) 15 años
Área 1 a proteger (interno del tanque). Ec
(3) 1255.60 m2
Área 2 a proteger (externo del tanque). Ec
(4) 2100.457 m2
Área Total. Ec (5) 3356.058 m2
Densidad de corriente Ec (6) 20.33 m A /m2
Intensidad de corriente. Ec (7) 68.2 A
Masa anódica Ec.(8) 115.66 Kg
Numero de ánodos. Ec (9) 28
Resistencia del ánodo con relleno. Ec (10) 0.096 ohm
Resistencia total. Ec (11) 0.6067 ohm
Voltaje de salida del rectificador. Ec (12) 41.40 V
Capacidad del transformador. Ec (13) 4.41 KVA
Según estos resultados se observa que el tanque de almacenamiento se
debe proteger con 28 ánodos de sacrifico, dentro del tanque son 3 ánodos
de sacrificio distribuidos a 1200 cada uno como se puede observar en la
(figura. 10), y una malla de 25 ánodos bajo del tanque distribuida a una
distancia de 1.5m (figura. 11) como indica la norma NACE Standard
Recommended Practice.
-
21
Figura 9. Ánodos dentro del tanque distribuidos a 120° cada uno
Figura 10. Distribución de ánodos
-
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Figura 11. Distribución de ánodos
Figura 12. Tanque protegido por el diseño
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3.4.1 ELECCIÓN DEL TRANSFORMADOR RECTIFICADO
Hay varias elementos que se pueden obtener en el mercado en este caso
se necesitará una Unidad central de proceso (UCP), para que suministre
corriente continua al lecho de los ánodos, a partir de una fuente de energía
de corriente alterna (Girón, 2005).
Existen unidades de control manual y automático, refrigerados por aire o por
aceite, en este caso es necesario una unidad de 50 V / 10 A esta elección es
la más adecuada porque según los cálculos la capacidad del transformador
es de 4.41 Kva, automático con indicador analógico o digital (Parra, 2012).
Figura 13. Transformador Rectificador
-
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
-
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4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 CONCLUSIONES
Este sistema de protección catódica está diseñado para la
implementación en el tanque TM10-TK1-001C de la estación Baeza
Villano de la empresa Agip Oil Ecuador.
Según los cálculos de diseño se concluye que este tanque necesita
28 ánodos de sacrificio, 3 en el interior y 25 en el exterior con
implementación de corriente impresa.
Con esta protección contra la corrosión el tanque de almacenamiento
puede tener una vida útil de 15 años como se observa en la ecuación
(2) dentro de los cálculos.
Se da prioridad a este diseño para que el tanque TM10-TK1-001C de
la estación Baeza Villano de la empresa Agip Oil Ecuador, no tenga
ningún problema en lo que se refiere a grietas y picaduras en la base
del tanque, esto puede ocasionar derrames dentro de las
instalaciones.
4.2 RECOMENDACIONES
Los materiales escogidos para la protección de los equipos dentro de
una facilidad deben ser resistentes en este caso los anillos
inferiores del tanque tienen un espesor de 0.562 pulgas en el primer
anillo, en el segundo anillo 0.472 pulgadas y en el tercero 0.314 pulg
están dentro de los rangos especificados en la norma API 650, este
diseño se debe implementar en el tanque TM10-TK1-001C de la
estación Baeza Villano de Agip Oil Ecuador ya que el antiguo diseño
está obsoleto y fuera de servicio.
Efectuar inspecciones visuales a los equipos cada mes, para la
prevención de accidentes.
Llevar a cabo un sistema de verificación con un historial que denote el
rango máximo de espesores o daños que estén dentro de los límites
que estipula la norma.
Luego de la instalación del nuevo sistema de protección catódica, con ánodos de sacrificio y corriente impresa, tiene que realizarse una calibración del volumen del tanque; tanto esta calibración como toda la intervención para instalar el sistema debe contar con la autorización y fiscalización de la Agencia de Regulación y Control Hidrocarburífero (ARCH).
-
5. BIBLIOGRAFÍA
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5. BIBLIOGRAFÍA
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Agip Oil Ecuador. (2016). Diaeño de proteccion catodica en los tanques de
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Barrera, A. (2010). Tanques de almacenamiento de hidrocarburos. Ecuador.
Di Caprio, G. (2003). Resistencia a la corrosión de aceros inoxidables.
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Fiber Glass Colombia. (14 de 12 de 2000). http://fiberglasscolombia.com/wp-
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Colombia: http://fiberglasscolombia.com
Girón, R. (2005). Protección catódica y su aplicación en tanques de
almacenamiento de productos petroleros en plantas Guatemaltecas.
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de almacenamiento práctica recomendada. NACE Standard
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Tanques de Almacenamiento del Depósito de Combustibles de
Riobamba para Determinar el Grado de Corrosión de los mismos.
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26
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DE TECHO CÓNICO, DE 20.000 BARRILES, SEGÚN LA NORMA
API 653, PARA LA EMPRESA SOLMAQUITRANS S.A.”. Chimborazo,
Ecuador.
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6. ANEXOS
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27
6. ANEXOS
ANEXO 1.
DATOS DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO TM10-TK1-
001C