Protección catódica: definición, principios de funcionamiento, tipos, diseño, ventajas, aplicaciones (PDF)

La Protección Catódica es una técnica industrial para el control de la corrosión metálica. La protección catódica se usa comúnmente en estructuras metálicas enterradas y sumergidas como tuberías, tanques de almacenamiento subterráneos, esclusas, equipos submarinos, flotadores en alta mar, puertos y cascos de barcos. La corrosión es un proceso electroquímico que opera como un circuito eléctrico. Se produce corrosión en el ánodo por oxidación y se pierde metal; mientras que en el cátodo, la protección se produce por la reacción de reducción. En la técnica de protección catódica, el metal en cuestión se convierte en el cátodo de la celda de corrosión electroquímica para reducir la corrosión. En este artículo, exploraremos los conceptos básicos de los principios de protección catódica y las prácticas de la industria.

Conceptos básicos de la corrosión

¿Qué es la corrosión?

La corrosión se puede definir como la degradación del metal por su reacción electroquímica con una materia no metálica como el oxígeno, el azufre, etc. Esto ocurre formando un circuito eléctrico por el intercambio de electrones. Se forma una celda de corrosión que consta de ánodo, cátodo, electrolito y una conexión metálica entre el ánodo y el cátodo. Entonces, para que ocurra la corrosión, las cuatro partes anteriores deben estar presentes, lo que crea una condición de circuito cerrado. En la superficie del metal que está expuesta al electrolito, se produce una reacción electroquímica. El ánodo se corroe debido a la reacción de oxidación.

¿Qué es un ánodo?

Esta es la parte más importante de la celda de corrosión donde ocurre la corrosión. El ánodo se define como el punto donde la electricidad pasa de la superficie del metal al electrolito por medios químicos. Esta reacción química se caracteriza por que el metal pierde un electrón y se combina con otro elemento, generalmente oxígeno, se conoce como reacción de oxidación. En el caso del acero, el material resultante es el óxido de hierro conocido popularmente como herrumbre.

¿Qué es un cátodo?

El cátodo es la segunda parte necesaria de la celda de corrosión donde ocurre la protección. El cátodo se puede definir como el punto donde la electricidad pasa del electrolito a la superficie del metal por medios químicos. Esta es una reacción de reducción caracterizada por el paso de electrones del metal al electrolito.

Dependiendo del potencial eléctrico en comparación con el otro electrodo, un electrodo puede comportarse como un ánodo o como un cátodo. Esta diferencia de potencial eléctrico es la fuerza electromotriz impulsora de la celda y es la diferencia de voltaje entre el ánodo y el cátodo. El electrodo que es más activo eléctricamente, o de voltaje más negativo, sufre la corrosión, por lo que, por definición, es el ánodo. Por otro lado, el electrodo que es más noble (menos negativo en potencial) cede electrones al electrolito (reacciones de reducción) y por definición es el cátodo y no sufre corrosión.

¿Qué es un electrolito?

El electrolito, la tercera parte de la celda de corrosión, es el lugar donde fluyen los iones y puede ser cualquier material en contacto tanto con el ánodo como con el cátodo. El electrolito permite que ocurran las reacciones de oxidación y reducción e incluye la fuente de átomos necesarios para la transferencia de iones hacia y desde el ánodo y el cátodo.

Camino Metálico: La parte final en la celda de corrosión es el camino metálico que completa el circuito y permite que los electrones fluyan. Puede ser cualquier metal en contacto tanto con el ánodo como con el cátodo. Por ejemplo, en el caso de un tanque o tubería, el tanque o tubería en sí mismo puede actuar como el camino metálico.

Ejemplos de celda de corrosión
Fig. 1: Ejemplos de celda de corrosión

Efecto de la corrosión

Un amperio de corriente puede causar una pérdida de 9 kg de acero en un año.

Incluso una pequeña cantidad de descarga de corriente, 1 mA, puede producir 7 orificios de ¼” de diámetro en una tubería de acero de 2” de espesor estándar en 1 año.

La corrosión puede ser mitigada por….

  • Protección catódica
  • Selección de Materiales
  • Recubrimientos

¿Qué es la Protección Catódica (CP)?

La protección catódica es el uso de corriente continua de una fuente externa para oponerse a la descarga de corriente de corrosión de las áreas anódicas de la estructura. Minimiza la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo y, a su vez, reduce la corrosión. Con la aplicación de suficiente corriente, toda la tubería o estructura estará a un potencial; evitando así la creación de sitios de ánodo y cátodo.

Principio de Protección Catódica

El principio del sistema de protección catódica es determinar el ánodo en una celda de corrosión grande para hacer que el material deseado sea un cátodo que supere las celdas de corrosión más pequeñas. Esto se puede lograr mediante cualquiera de los siguientes dos métodos:

Protección Catódica Galvánica:

Este método primero selecciona un metal más activo de la serie galvánica. Luego, el metal se instala en el electrolito y se proporciona un camino metálico. Este método de protección catódica se denomina protección catódica de sacrificio o protección catódica galvánica. En este método, se instala un metal galvánicamente más activo para que actúe como ánodo que se sacrifica y protege la tubería/estructura que funciona como cátodo.

Protección Catódica Galvánica
Fig. 2: Protección Catódica Galvánica

Los sistemas de protección catódica galvánica son fundamentalmente muy simples. Los ánodos en los sistemas de protección catódica con ánodos de sacrificio deben inspeccionarse periódicamente y deben reemplazarse cuando se consuman. Los sistemas más simples consisten en la selección de un ánodo fabricado a partir de un metal activo (normalmente zinc, aluminio o magnesio). Luego, ese ánodo de sacrificio se conecta directamente a la estructura, exponiéndolo al mismo entorno que la estructura/tubería a proteger.

Sistema de ánodo galvánico
Fig. 3: Sistema de ánodo galvánico

Sin embargo, para las tuberías enterradas, los ánodos no se unen directamente a la estructura. Se distribuyen uniformemente a una distancia más corta de la tubería. Luego, la tubería se conecta al ánodo mediante un cable, normalmente a través de una estación de prueba.

Protección Catódica con Ánodos Galvánicos :

  • Ánodos de magnesio
  • Ánodos de zinc
  • Ánodos de aluminio

Ventajas del sistema de protección catódica de ánodo galvánico

  • Simple en la instalación.
  • Sin fuente de alimentación externa.
  • Muy pocos requisitos de operación o mantenimiento.
  • Sin facturas de energía.
  • Fácil de diseñar.
  • Sin accesorios caros como cables, etc.
  • Económico para pequeñas estructuras.

Limitaciones del sistema de protección catódica de ánodo galvánico

  • Bajo voltaje de conducción.
  • Bajo rendimiento debido a la pasivación.
  • Corriente limitada. Corriente extremadamente pequeña disponible en electrolitos de mayor resistividad.
  • Mala vida.

Aplicación típica del sistema de ánodo galvánico

  • Tuberías pequeñas con buen Revestimiento.
  • Instalaciones Portuarias, Pilotes Metálicos, Muelles, etc.
  • Buques, Tanques, etc.
  • Instalaciones y Equipos de Planta, Tomas de Agua de Mar, Pantallas, Condensadores, Intercambiadores de Calor, etc.

Protección catódica de corriente impresa:

En caso de protección catódica de corriente impresa, se instala una fuente de corriente continua en el sistema que proporciona energía adicional para forzar el flujo de corriente desde un ánodo instalado hacia la tubería o material estructural convirtiéndolo en un cátodo. La fuente de CC puede ser una celda solar, un rectificador, un generador, una batería o alguna otra fuente de CC.

El material del ánodo se selecciona considerando el costo y la pérdida de peso por amperio año de corriente. El grafito, el hierro fundido con alto contenido de silicio (HSCI), el platino o el óxido de metal mixto se utilizan como ánodos para el sistema de protección catódica de corriente impresa, ya que se consumen lentamente. Los ánodos deben inspeccionarse periódicamente y reemplazarse si se consumen.

Sistema de protección catódica por corriente impresa
Fig. 4: Sistema de protección catódica por corriente impresa

Protección catódica con ánodos de corriente impresa :

  • Ánodos de hierro fundido con alto contenido de silicio y cromo
  • Ánodos de óxido de metal mixto
  • Ánodos de grafito

Ventajas del Sistema de Protección Catódica de Corriente Impresa

  • La corriente y el voltaje se pueden variar.
  • Se puede utilizar en casi cualquier entorno de resistividad.
  • Puede diseñarse para monitoreo y control remoto.
  • Puede diseñarse para la medición de APAGADO/ENCENDIDO instantáneo.
  • Sin limitación de voltaje de conducción.
  • Económicamente factible para reemplazar el sistema de ánodos cuando sea necesario.
  • El sistema es extremadamente flexible.

Limitaciones de los Sistemas de Protección Catódica de Corriente Impresa

  • Requiere monitoreo y mantenimiento regular
  • Requiere suministro principal u otra fuente de energía eléctrica
  • Los problemas de interferencia deben ser considerados.
  • Posibilidad relativamente grande de falla o avería prematura.

Teoría de la Protección Catódica

  • Acero en suelo / agua Anódico
  • Tierra / Agua de mar Catódico

Como resultado: – El acero pierde electrones y por lo tanto se corroe .

Para revertir lo anterior:

  • hacer acero catódico
  • Agua de mar / Tierra anódica

Y esta es la teoría de la protección catódica donde el material previsto se convierte en cátodo.

¿Cómo funciona la protección catódica?

La corriente directa se ve obligada a fluir desde una fuente externa a la estructura. Cuando el flujo de esta corriente está tan ajustado para dominar la corriente de corrosión que se descarga desde todas las áreas anódicas, brindando así una protección completa

Criterios de Protección Catódica

Acero en suelo: El potencial de tubería a suelo debe estar entre -0,85 V y -1,2 V con respecto al electrodo de referencia de Cu/CuSo4.

Acero en agua: El potencial de tubería a electrolito debe estar entre –0,8 V y –1,10 V con respecto al electrodo de referencia Ag/AgCl.

BASE PARA LA DENSIDAD DE CORRIENTE….

RESISTIVIDAD DEL SUELO

  • >1000 ohm-cm 10 mA/m2
  • 100-1000 ohm-cm 20 mA/m2
  • <100 ohm-cm 35 mA/m2

RESISTIVIDAD DEL AGUA

  • >150 ohm-cm 50 mA/m2
  • 50-150 ohm-cm 75 mA/m2
  • <50 ohm-cm 110 mA/m2
Ánodo típico y monitoreo
Fig. 5: Ánodo típico y monitoreo

Diseño de sistemas de protección catódica

Antes de decidir el tipo de sistema de protección catódica y su diseño, se deben recopilar ciertos datos preliminares.

Datos necesarios para decidir un Sistema de Protección Catódica

Los siguientes datos son necesarios para decidir un sistema de protección catódica

  • Detalles de Dimensiones Estructurales y planos
  • Esquema de recubrimiento de superficie
  • Detalles de Suelo Estratos / Terreno
  • Presencia de Estructuras Metálicas Extrañas.
  • Detalles de cruces entubados
  • Historia de las áreas corrosivas
  • Condiciones actuales perdidas
  • Temperatura de funcionamiento
  • Disponibilidad de alimentación de CA
  • Historial de corrosión de estructuras en el área
  • Informe de encuesta de pH y resistividad de electrolitos para comprender la tasa de corrosión

Planificación de un sistema de protección catódica

La ciencia detrás de por qué func...
La ciencia detrás de por qué funciona el pensamiento positivo

Factores que rigen el Diseño del Sistema de Protección Catódica:

  • Elección del sistema de protección catódica
  • Cantidad de corriente total para lograr la protección catódica
  • Nº de Instalaciones de Protección Catódica
    • Espaciado entre ellos y
    • Salida de corriente de cada instalación
  • Tipo de ánodos y configuración de lecho de tierra
  • Cualquier condición especial en ciertos lugares que necesiten modificación del Plan CP general
  • Ubicación de la estación de prueba CP.

Selección de un Sistema de Protección Catódica

El tamaño de la estructura, la resistividad del suelo y el historial de corrosión dictan la selección del sistema de protección catódica. Antes de la selección, se realiza una prueba de requisitos de corriente para proteger la estructura. En general, cuando la resistividad del suelo es baja (< 5000 ohm-centímetros) y el requisito de densidad de corriente es bajo, se selecciona un sistema de protección catódica con ánodo de sacrificio. Sin embargo, para estructuras grandes con mayor requerimiento de corriente, se utiliza un sistema de corriente impresa debidamente mantenido.

Secuencia de diseño del sistema de protección catódica

El siguiente diagrama de flujo proporciona la secuencia de diseño para las secuencias de diseño del sistema de protección catódica.

Diagrama de flujo de la secuencia de diseño del sistema de protección catódica
Fig. 6: Diagrama de flujo de la secuencia de diseño del sistema de protección catódica

Los pasos mencionados a continuación generalmente se siguen al diseñar un diseño de sistema de protección catódica de ánodo de sacrificio:

  • Revisar la resistividad del suelo
  • Seleccione el ánodo: para suelos extremadamente corrosivos (<2000 ohmios-centímetros), se usa zinc. De lo contrario, se usa magnesio.
  • Cálculo del potencial de conducción neto para ánodos.
  • Encontrar la cantidad de ánodos necesarios para cumplir con las limitaciones de resistencia del lecho de tierra.
  • Estimación del número de ánodos para la esperanza de vida del sistema.
  • Selección del número de ánodos a utilizar
  • Selección del diseño de la cama de suelo
  • Cálculo del costo del ciclo de vida para el diseño propuesto.
  • Elaboración de planos y especificaciones.

De manera similar, se siguen los pasos mencionados a continuación para diseñar un diseño de sistema de protección catódica por corriente impresa:

  • Revisar la resistividad del suelo
  • Revisar la prueba de requisitos actual
  • Seleccione el ánodo: la selección del ánodo se basa en la consideración del costo.
  • Estimación del número de ánodos necesarios para satisfacer las limitaciones de densidad de corriente del fabricante
  • Calcule el número de ánodos necesarios para cumplir con el requisito de vida útil del diseño.
  • Calcule la cantidad de ánodos necesarios para cumplir con los requisitos máximos de resistencia del lecho de tierra del ánodo.
  • Seleccione el número de ánodos a utilizar.
  • Seleccione el área para la colocación del lecho de ánodos.
  • Determine la resistencia total del circuito.
  • Calcule la resistencia del lecho de tierra del ánodo.
  • Calcule la resistencia del cable del cabezal del lecho de tierra.
  • Calcule la resistencia de estructura a electrolito.
  • Calcular la resistencia total del circuito.
  • Calcule el voltaje del rectificador.
  • Seleccione un rectificador.
  • Calcular el costo del sistema.
  • Preparar planos y especificaciones.

¿Por qué necesitamos Protección Catódica en Plantas?

  • Las Inversiones Iniciales para complejos Petroquímicos, Plantas de Fertilizantes y Refinerías son muy altas.
  • Los problemas de corrosión no se detectan hasta que aparece alguna fuga.
  • Las fugas pueden ser extremadamente desastrosas y causar accidentes fatales y grandes pérdidas financieras.
  • Incrementa el costo de mantenimiento de las reparaciones de fugas.
  • El problema de la corrosión también puede hacer que las plantas cierren y, por lo tanto, pierdan producción.
  • La Protección Catódica se puede instalar en el momento del montaje de la planta a un costo muy bajo.
  • El costo de CP podría ser de 5 a 6 veces si se instala después de la finalización del proyecto, ya que implica mucha excavación y restauración de estructuras.

Complejidades de la Protección Catódica de Plantas

  • Tuberías Subterráneas Dispersas
    • -Tubos en Paralelo
    • -Bifurcaciones
    • -Red estrechamente agrupada
  • Diferentes tuberías podrían ser de diferentes materiales y revestimientos.
  • El área de influencia variará de tubería a tubería.
  • Refuerzos pesados ​​de estructuras civiles subterráneas
  • Red de puesta a tierra.
  • Fondos de tanque

Control de corrosión para tanques de almacenamiento por encima del nivel utilizando el sistema CP

  • El fondo del tanque en contacto con el suelo sufre corrosión. Esto podría provocar fugas, pérdida de producto y causar peligros ambientales.
  • Es mucho más simple y económico instalar el sistema CP durante la etapa de construcción.

Protección Catódica para Tuberías

Los principales datos requeridos para decidir un Sistema de Protección Catódica para tuberías son

  • Detalles de las dimensiones de la estructura
  • Esquema de recubrimiento de superficie
  • Detalles de Suelo Estratos / Terreno
  • Presencia de Estructuras Metálicas Extrañas.
  • Detalles de cruces entubados
  • Historia de las áreas corrosivas
  • Condiciones actuales perdidas
  • Temperatura de funcionamiento
  • Disponibilidad de alimentación de CA

Equipos utilizados para Sistema de Protección Catódica

ánodos

  • Ánodos MMO
  • Ánodos de hierro de silicio
  • Ánodos de grafito

Los ánodos se instalan en lechos subterráneos de pozos profundos.

INSTALACIÓN TÍPICA DE POZO PROFUNDO CON ÁNODOS MMO
Fig. 7: Instalación típica de Deepwell con ánodos MMO

Generadores solares

Estaciones de protección contra la corrosión donde la energía de entrada no está disponible, los generadores solares se utilizan para alimentar el sistema CP.

Caja de conexiones de ánodo (AJB)

Las cajas de conexiones de ánodos se utilizan para distribuir la alimentación de CC desde la unidad T/R a los ánodos en cada estación CP. Los cables de cola del ánodo y el cabezal positivo (desde T/R) terminan dentro del AJB. Un circuito con derivaciones de clasificación adecuada para monitorear la salida de corriente de la cadena de ánodos.

Caja de distribución negativa (NDB)

El cable de cabecera negativo (de T/R) y el cable de drenaje negativo de la tubería terminan dentro del NDB en cada estación CP. Cada circuito deberá tener una resistencia variable para controlar la corriente y una derivación de clasificación adecuada para monitorear la corriente.

Celda de polarización de estado sólido

La tubería se conectará a tierra en todos los cruces de líneas eléctricas aéreas donde el voltaje sea superior a 100 kV. Conectado a través de la tubería y la puesta a tierra del sistema. Evita el drenaje de corriente del CP de la estructura a la puesta a tierra del sistema. Deriva todas las corrientes de falla y las corrientes inducidas a tierra.

Desviadores de sobretensiones

Los desviadores de sobretensiones se utilizan en las instalaciones de juntas de aislamiento. Brinda protección contra sobretensiones a las juntas aislantes en caso de caída de un rayo u otras fallas.

Monitoreo del Sistema de Protección contra la Corrosión

Para el mantenimiento de rutina y el control de la eficacia del sistema CP, se proporcionan las siguientes instalaciones de prueba a lo largo de la tubería.

  1. INSTALACIÓN DE MEDICIÓN DE POTENCIAL: Para la medición del potencial de la tubería al suelo con respecto a una celda de referencia portátil. Estas instalaciones se proporcionan a intervalos regulares de una instalación cada dos kilómetros.
  2. INSTALACIÓN DE PRUEBA DE PUNTO DE DRENAJE: En cada estación CP se proporciona una instalación de prueba de punto de drenaje. Se utilizan dos celdas de referencia permanentes, dos cupones de polarización y una sonda de corrosómetro para medir el potencial de la tubería al suelo con respecto a una celda de referencia de Cu/CuSO4 permanentemente enterrada y el potencial de APAGADO instantáneo de un cupón enterrado. El corrosómetro permite monitorear la tasa de corrosión y, por lo tanto, el rendimiento del sistema. Las celdas de referencia permanente se utilizan para alimentar datos para el sistema SCADA.
  3. CRUCE DE SERVICIO EXTRANJERO/INSTALACIÓN PARALELA: Para llevar a cabo pruebas de interferencia en cruces de tuberías extranjeras o tuberías extranjeras que corren paralelas a SGP. Para facilitar la mitigación de los efectos de interferencia

Frecuencia de monitoreo del sistema de protección catódica

Las consideraciones económicas y de seguridad requieren una estrecha supervisión y mantenimiento de todos los sistemas de protección catódica. El seguimiento se puede dividir en tres categorías:

  • Monitoreo Mensual
  • Seguimiento Trimestral
  • Seguimiento Anual

Seguimiento Mensual:

  • Registro de potenciales de punto de drenaje
  • Resistencia del lecho de tierra
  • Salida de corriente del ánodo
  • Configuración de salida T/R y T/R
  • Ajustes de salida solar

Seguimiento Trimestral:

  • Registro de estructura a potencial electrolítico en el lugar de medición. (Solo se registrarán los potenciales ON)
  • Corrientes de enlace a medir.
  • Las juntas de aislamiento se ensayarán con el Test de oscilación.
  • Informes a generar.
  • Ajustes de salida solar

Encuestas de potencial de intervalo cerrado (CIP) y gradiente de voltaje de corriente continua (DCVG)

  • Se recomienda que se lleve a cabo una encuesta de potencial de intervalo cerrado dentro de un año después de la puesta en marcha del sistema de protección contra la corrosión. Esto debe repetirse una vez cada tres a cinco años.
  • Con base en los datos del CIPS, la encuesta DCVG debe realizarse de inmediato en los sitios donde se haya observado protección insuficiente durante la encuesta CIP. También se recomienda que la encuesta DCVG se realice para toda la tubería una vez cada tres a cinco años.

Por lo tanto, podemos concluir que la protección catódica es un método de protección del acero muy útil y ampliamente utilizado. Sin embargo, este método es costoso y requiere mantenimiento y reemplazo periódicos. Haga clic para saber más sobre Diseño de Protección Catódica para Duplex de Acero Inoxidable (DSS)

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