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COTEQ-226 ÁNODO POLIMÉRICO CONTINUO

Osvaldo C. D’Albuquerque1, Rubén O. Bracco2

SINOPSIS El ánodo polimérico continuo (APC) para protección catódica por corriente impresa fue desarrollado hace unos 30 años, contando con la teoría de funcionamiento y de requisitos de instalación basada en estudios del Dr. J.Newman, las cuales se adecuarán a las características de cada proyecto particular. Obviamente, cada caso tendrá una necesidad distinta de corriente para el logro de su protección catódica (protección anticorrosiva secundaria) en función del diámetro de tubería involucrado y del estado del revestimiento y su conductividad (protección catódica primaria); considerando que por su capacidad de erogación de corriente este tipo de ánodo es indicado para casos especiales o ductos pobremente revestidos o desnudos, se desarrollará este trabajo para este última situación y siendo que además, fue incluido en la norma internacional ISO-15589-part. 1 con la recomendación de uso en suelos de alta resistividad, se pondrá especial énfasis en presentar la «variable de ajuste» que permita discernir acerca de la calidad de la protección a lograr. INTRODUCCIÓN Se ha acotado esta presentación, en lo sustancial, a la protección catódica de ductos de transmisión en razón de las limitaciones en cuanto a espacio y tiempo de exposición. Ejemplificando con tuberías sin revestimiento, establecemos las densidades de corriente de las mismas para todo el rango de resistividades de suelo en que se pueden instalar; al ser las resistividades de los suelos muy variables, en razón de que son anisótropos y heterogéneos, en particular con mayor énfasis en aquellos de muy alta resistividad, los proyectos en general se efectuan segmentados Alcanzado este objetivo y en función de las características geométricas particulares se calcula y grafica la eventual diferencia de potenciales entre puntos circunferenciales periféricos, presentando todo en forma práctica, simplificada y efectiva siguiendo los criterios de instalación basados en la teoría especifica. Palabras-clave: dispersor continuo; distribución continua; diseño segmentado. 1 Ingeniero Industrial – U.B.A (Universidad de Buenos Aires) – Gerente Regional Covalence CPG 2 Ingeniero Electricista – U.N.L.P.- (Universidad Nacional de La Plata) -Profesor del Instituto del

Gas y Petróleo de la U.B.A.

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PROYECTOS DE PROTECCIÓN CATÓDICA MEDIANTE APC 1.-) El ánodo polimérico continuo El ánodo, basado en un polímero semiconductor, fue un diseño original de la firma Raychem y en la actualidad continua siendo el único con este principio, respondiendo uno de sus diseños al esquema siguiente:

Figura 1 Dada la particularidad de su origen y aunque actualmente los derechos los ejerce la firma Covalence (Corrosión Protection Group), se han mantenido las denominaciones bajo la marca registrada Anodeflex. Como ejemplificaremos este trabajo con uno de los modelos, lo denominaremos Ánodo Polimérico Continuo 1500 o en forma abreviada APC 1500, que es el que se ha ilustrado. Debe mencionarse que el Ánodo Polimérico Continuo que rodea al conductor anódico Cu AWG # 6 esta constituido por un polímero semiconductor; si bien los polímeros clásicos son aislantes (por ejemplo en cables eléctricos), con un procedimiento o «dopaje» se agrega una carga que produce un cambio en su conductividad. En este caso se llega a que el polímero tenga propiedades semiconductoras, no siendo ya aislante.

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La teoría de funcionamiento y requisitos de instalación fueron desarrollados por el Prof. Newman de la Universidad de Berkeley (1). 2.-) Densidad de corriente y resistividad Para todo proyecto de protección catódica de un ducto enterrado, además de conocer los datos básicos del mismo (tales como diámetro, espesor, longitud a proteger, etc.) deben considerarse dos variables asociadas: una es el estado del revestimiento pues envejece mientras interactúa con el entorno o sea el suelo circundante y otra es precisamente la resistividad del mismo en forma pormenorizada a lo largo del proyecto. Como en el caso ejemplificado nos referiremos a una tubería sin revestimiento, debemos estimar cual a de ser la demanda unitaria de corriente por unidad de superficie, o en otras palabras la densidad de corriente. Una de las fórmulas de uso extendido (2), es la siguiente, que denominamos Fórmula 1: δ[mA/m²] = 73,73 – 13,35 Log ρ[Ω.cm]

Nótese en la representación gráfica de la densidad de corriente según esta formula, que superado cierto valor de resistividad (unos 100000 Ω.cm) esta variable decaería en forma ostensible, lo cual no es aceptable para mayores resistividades, valores comunes en muchas zonas montañosas. Precisamente el APC esta recomendado por la norma internacional ISO 15589 (3) para altas resistividades, siendo que indica en su apartado 6.2.4(Impessed-current anodes and conductive backfill) lo siguiente: «Use of continuous conductive polymer anodes should be considered, particularly for very high resistivity soils surrounding the pipeline»

Figura 2

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Por lo expuesto es necesario extender más allá de los 100000 Ω.cm, a partir del punto donde el valor dado por la Formula 1 para esa resistividad, que es 6,98 mA/m². Para ello, se recurrió a varias comparaciones, entre ellas a la metologia dada en Peabody (4), más en particular a la incluida en el anexo electrónico «Examples of Design for Cathodic Protection Systems», proponiendo como extensión la que denominamos Fórmula 2: δ[mA/m²] = 6,98 mA/m² (100000 Ω.cm/ρ Ω.cm) Se han graficado las dos curvas, Fórmula 1 más Fórmula 2, para cubrir las densidades de estimación para efectuar proyectos de tuberías desnudas, dejando como comparación dos rectas que del anexo surgen como tuberías con revestimientos pobre y excelente, respectivamente.

Figura 3 Vista la obvia correlación existente entre la densidad de corriente y la resistividad, recordamos la NACE International TM 0102 (5), establece las metodologías para evaluar la condición del revestimiento de un conducto en operación en función de la conductividad medida en condiciones de resistividades aparentes promedio de un tramo y, en su Sección 5, reduce los valores así determinados y con fines comparativos a 1000 Ω.cm, llamando al valor obtenido normalizado. Ello, además de ratificar la estrecha interacción entre el estado del revestimiento y los promedios de resistividad tanto en tuberías revestidas como desnudas, siempre conduce a la necesidad de realizar los proyectos segmentados con cualquier metodología de protección; no debemos olvidar que toda técnica (en particular la protección catódica es una técnica para combatir la corrosión) se debe concretar con el diseño adecuado.

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3) Indicaciones básicas para proyectos de protección catódica con APC En proyectos de protección catódica con ánodos de sacrificio o con dispersores discretos de corriente impresa se ajusta la distancia entre unidades para satisfacer las demandas energéticas de los tramos o segmentos con diversa resistividad. No escapa a dichos requerimientos el diseño que usa el Ánodo Polimérico Continuo, pues si bien la estructura a proteger, es en general un ducto longilineo, se lo protege mediante segmentos adyacentes de APC alimentados con la corriente necesaria regulada desde un rectificador, que suple energía a varios tramos. Para calcular cada segmento, se parte de una medición exhaustiva de resistividades, y se define la longitud de los mismos en función del valor medio de resistividades y de los valores máximo y mínimo obtenidos; en general se admite una variante de ± 30% a partir de dicho promedio y adoptando una corriente a erogar de unos 2/3 del máximo admitido para suministro uniforme, se logra mantener la vida útil de 20 años del producto. En definitiva, el criterio de aplicación queda a cargo del proyectista, pues pueden presentarse singularidades tales como que en corto trecho la demanda de corriente sea muy elevada y la longitud pertinente sea pequeña y no amerite crear un segmento separado; en tales casos se puede efectuar una protección tipo «hot spot» también con APC. Si la longitud a proteger supera la un segmento seleccionado según las pautas antedichas, deben elegirse tantos segmentos como sea necesario siempre cumplimentando los requisitos, para cubrir la distancia mientras que el proyectista preverá la alimentación en paralelo de dichos segmentos con regulación independiente de corriente. Como ejemplo se cita que en una aplicación en alta resistividad no resuelta por otros medios, en 8 Km. de longitud se dispusieron 34 segmentos (distintas longitudes entre si) alimentados por 3 rectificadores y reóstatos reguladores para cada uno. Se ilustra lo expresado en párrafos anteriores con un ejemplo hipotético.

Figura 4 La atenuación que presenta el ATC es mínima en comparación con las que suelen tener las tuberías en función de la conductividad de sus revestimientos, pero de todos modos las necesidades del servicio serán evaluadas por el proyectista; asimismo el proyectista evaluará la necesidad - para los segmentos que haya diseñado - de alimentar los mismos por un extremo, por los dos o por la parte central, dado la eventual diferencia de corriente erogada. Se acompaña gráfico ilustrativo.

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Figura 5

Se acompañan cuatro fotos ilustrativas básicas sobre el APC y su instalación.

. Foto A : Carrete de provisión de APC (Anodeflex 1500)

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Foto B: Preparación de zanja para instalar APC

Foto C: Ubicación en zanja de un segmento de APC y cable de conexión

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Foto D: Caja de conexiones 4.-) Necesidad de corriente y alternativas de instalación Una vez adoptada la densidad de corriente en función de las resistividades máxima, media y mínima para el segmento a proteger, se calcula la necesidad de corriente en función de la superficie involucrada y por tanto la corriente a entregar al mismo. A efectos ilustrativos, se dispone a continuación de un gráfico, donde en función del APC 1500 tomado como modelo, donde se visualiza que una línea del mismo alcanza para proteger una línea desnuda de 30” de diámetro mientras que dos permiten la protección de una línea de 60”. Ello lleva a considerar que las aplicaciones más importantes – en ductos – son en líneas de transmisión atendiendo a las diferencias de diámetro que en general existen con relación a las de distribución, más allá de otras aplicaciones específicas como se señalan en el apartado 6 (Conclusiones). Dicho gráfico, se ha calculado para una densidad de corriente correspondiente a tubería desnuda en suelos de baja resistividad (1000 Ω.cm), siendo esta la resistividad de referencia empleada en la NACE TM 102 (5).

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Figura 6 En toda aplicación de APC debe mantenerse una distancia determinada para posibilitar la adecuada protección en toda la periferia de la tubería. A medida que la distancia sea reducida, se trasladará la línea equipotencial “0”, hasta el absurdo de quedar sobre la tubería, como puede verse en forma ilustrativa en los gráficos que siguen.

Figura 7

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Figura 8 En los casos que ameriten el uso de dos o más líneas de APC 1500, las distancias mínimas entre ánodo y tubería se reducen sensiblemente.

Figura 9 Un caso particular de instalación surge en los casos de muy alta resistividad en los que la zanja para instalar el ducto se abre con la ayuda de explosivos y en consecuencia solo queda la posibilidad de instalar el APC en la vertical desde el centro de tubería. En estas condiciones, la presencia del APC interferiría en la interpretación de las mediciones si esta se efectuará desde arriba, para evitar lo cual se recurre a algún artificio, como puede ser el esquematizado a continuación:

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Figura 10

5.-) Variable de ajuste La teoría establecida en (1) establece expresiones que ligan la distancia entre la tubería y el APC 1500, de modo tal que el potencial en puntos de la periferia de la tubería, cercana y lejana, no difiera como máximo en una cantidad mayor a 350 mV, cantidad que el autor denominó «ventana» y que representa la diferencia entre el potencial de protección mínimo según NACE International RP0169 (6) o sea un valor entre -850 mV tubería -suelo y -1200 mV (electrodo Cu-SO4Cu). Cabe destacar que la norma ISO 15589 (2) fija algunos valores de potencial de protección que difieren del antedicho (-850 mV), para casos con muy alta resistividad: -750 mV Para 10000 Ω.cm < ρ < 100000 Ω.cm - 650 mV Para ρ > ó = que 100000 Ω.cm

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Como la «variable de ajuste» depende principalmente del diámetro de tubería, la distancia entre esta y el APC 1500, se ilustrara en principio con un ejemplo y a continuación del mismo con dos gráficos.

Figura 11

En el ejemplo cuyos datos anteceden, los cálculos indican una diferencia máxima entre lados opuestos de la tubería de 0,293 V. Los gráficos ilustran acerca de la variable de ajuste tanto para protecciones con una línea de APC 1500 como para dos.

Figura 12

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Figura 13

6.-) Conclusiones En el apartado 1 se ha visto una descripción física del Ánodo Polimérico Continuo (Anodeflex 1500), tanto en la figura correspondiente como en el texto subsiguiente. En los apartados posteriores se dieron las bases de las modalidades de diseño de protección catódica de tuberías longilíneas mediante el Ánodo Polimérico Continuo, dando las alternativas de instalación. Se ha introducido también el concepto de variable de ajuste, figuras 10 y 11, mediante las cuales se puede conocer el distanciamiento mínimo entre el APC y la tubería a proteger, a los efectos de una adecuada distribución de los potenciales en la periferia de la misma. Más allá de lo mencionado, conviene sintetizar los campos de aplicación del APC:

• Protección catódica en alta resistividad de suelo. • Rehabilitación de tuberías con revestimiento pobre. • Protección catódica de tuberías desnudas. • Eliminación de interferencias. • Protección catódica de tanques apoyados en el suelo (AST)

En este último caso la teoría específica responde a otro trabajo del Dr. Newman (7).

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BIBLIOGRAFIA (1) John Newman - «Cathodic Protection with Parallel Cylinders» - J. Electrochem.Soc., Vol.138, Nº12, December 1991. (2) Aldo C. Dutra y Laerce de Paula Nunes - «Proteçao Catódica – Técnica de Combate a Corrosao». (3) International Standard ISO 15589-1 - «Petroleum and natural gas industries – Cathodic protection of pipeline transportation systems – Part 1: On-land pipelines». (4) Peabody’s Control of Pipeline Corrosion – Second Edition - «Examples of Design for Cathodic Protection Systems». (5) NACE Standard TM 0102 «Measurement of Protective Coating Electrical Conductance on Underground Pipelines». (6) NACE Standard RP 0169 « Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems». (7) John Newman - «Cathodic Protection of an Embedded Disk by means of Anodic Loop – Appendix Cathodic Protection of a Plane with Parallel Cylindrical Anodes» November 1992