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Relación entre la protección catódica y el diagnóstico de DCVG Miguel A. González N., José Ma. Malo T., Rosalba Chavarría M.* y Pablo Durán E.* La preocupación por la corrosión en tuberías enterradas ha ido en aumento con el transcurso del tiempo, debido al envejecimiento de la protección mecánica de las tuberías, el cual da como resultado defectos en el recubrimiento, dejando expuesto el metal en suelo corrosivo, en el que se encuentra alojada la tubería. Si no existen niveles de protección catódica adecuados, se propicia el fenómeno de corrosión en estos defectos, originando fallas inesperadas en las tuberías, incrementando a su vez los costos de mantenimiento y reparación, así como la disminución en la seguridad durante la operación, tanto para los trabajadores como para las comunidades cercanas a las instalaciones de ductos. La técnica de Gradiente de Voltaje de Corriente Continua (DCVG), además de localizar los defectos del recubrimiento en una tubería enterrada (los cuales son sitios potenciales de corrosión), determina el estatus de la corrosión de los defectos y la severidad en cuanto al consumo de corriente de protección que cada uno de éstos absorbe. Sin embargo, toda esta información adquiere una mayor relevancia, cuando se correlaciona con las condiciones de operación de los sistemas de protección catódica, para poder emitir recomendaciones que conduzcan a la mitigación o erradicación de los problemas de corrosión, aunados a una buena operación de los mismos.

Introducción

S

e realizó un estudio para diagnosticar el sistema de protección de un ducto de 18 km, realizado por personal del Instituto de Investigaciones Eléctricas durante el segundo trimestre del año

2004.

El estudio contiene dos secciones: En la primera se incluyen las mediciones realizadas al suelo en donde se aloja el ducto a lo largo del derecho de vía. Se consideraron tres tipos de mediciones: resistividad de suelos, utilizando el método de cuatro electrodos; potencial REDOX, como indicador de la actividad microbiana y pH. Estos parámetros ofrecen diferentes medidas de la agresividad potencial corrosiva del suelo. En la segunda se contemplan las mediciones de potencial en condiciones de “encendido” y “apagado instantáneo”, en postes de medición del ducto, con el propósito de determinar el nivel real de protección alcanzado por el sistema de protección catódica, las posibles zonas desprotegidas tomando como base el criterio de protección establecido por la NOM-008-SECRE-1999, las posibles medidas correctivas que conduzcan a una operación segura de los ductos, así como los defectos del recubrimiento a lo largo del ducto, su severidad (%IR), ubicación y actividad de la corrosión.

* Pemex Gas y Petroquímica Básica.

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Artículos técnicos

Propiedades del suelo Las características del suelo están determinadas por su composición química y sus propiedades físicas. Para que un suelo sea corrosivo, algunas condiciones deben cumplirse para que se lleve a cabo una reacción electroquímica: debe haber oxígeno presente (o bacterias anaerobias), humedad y sales solubles del propio suelo. Los factores más comunes para controlar el nivel de corrosividad de una masa de suelo son: oxígeno, sales disueltas y elementos formadores de ácidos. Las pruebas que en corrosión deben realizarse para evaluar el nivel de agresividad corrosiva del suelo, incluyen la medición del pH, medidas de cloruros y sulfatos, resistividad total, acidez total y el potencial REDOX. Sólidos volátiles y otras especies también son medidos, dependiendo de las aplicaciones específicas. En el caso del ducto bajo estudio, interesa conocer el nivel de agresividad del suelo, con el propósito de evaluar el riesgo potencial de corrosión que éste representa, así como la uniformidad o distribución relativa de las propiedades a lo largo de los ductos y las posibles interferencias presentes en donde hay cruces con otros ductos ajenos a los derechos de vía. Figura 1. Potencial REDOX en el DDV.

Figura 2. Resistividad del suelo en el DDV.

En la Fig. 1 y Fig. 2, se presentan los resultados obtenidos de potencial REDOX y de la resistividad de suelo respectivamente. La Fig. 1 presenta los valores de potencial REDOX en función de la distancia, obtenidos en diferentes puntos a lo largo del trayecto de la tubería;, se puede observar que éstos presentan una tendencia alta en los valores de potencial REDOX, en todo el Derecho de Vía (DDV). En la gráfica están indicadas las fronteras de clasificación de agresividad, en función de los valores REDOX y se observa de manera general que se encuentran en la zona de no susceptibilidad, lo que indica que son potencialmente no susceptibles para la formación de bacterias que propicien la corrosión microbiológica. La Fig. 2 presenta los valores de resistividad en función de la distancia, obtenidos en diferentes puntos a lo largo del trayecto del ducto en el DDV. Se puede observar que los valores obtenidos, a diferencia de los valores de potencial REDOX, no presentan una tendencia y se encuentran dispersos a lo largo de la trayectoria. En la gráfica nuevamente están indicadas las fronteras de clasificación de agresividad, en función de la resistividad del suelo, presentándose la mayoría de los valores, en los intervalos de corrosivo a muy corrosivo. En la Fig. 3 se muestran los valores de pH a lo largo del DDV, aquí se puede observar que las condiciones no son nada agresivas en términos de acidez y por otra parte se encuentran en un intervalo de neutro a ligeramente alcalino, lo que lleva a que las condiciones del suelo en términos de pH, sean ligeramente corrosivas.

Nivel de protección catódica Toda estructura metálica enterrada en un suelo, presenta un potencial electroquímico en su superficie exterior. Este potencial puede ser medido, utilizando un voltímetro con un electrodo de referencia en una de sus puntas y la estructura en la otra. Idealmente, una medición precisa consistiría en colocar el electrodo de referencia, lo más cercano posible al ducto.

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Un criterio aceptado (Cathodic Protection Monitoring for buried Pipelines, 1988; Measurement Techniques, 1997) para evaluar la efectividad de un sistema de protección catódica en un ducto de acero, consiste en medir un potencial negativo mínimo 850 mV vs. Cu/CuSO4 con la protección catódica operando. Sin embargo, en situaciones prácticas el ducto está enterrado y por esta razón, la medición se hace al nivel de suelo, apoyando el electrodo de referencia contra éste y al hacerlo, la lectura de potencial se ve afectada por la contribución del suelo en forma de una caída óhmica, haciendo que la lectura no sea exactamente la de la superficie del ducto. Una forma de resolver este problema, consiste en recurrir a la medición de potencial en condición de apagado instantáneo, que corresponde al valor de potencial, recién se apaga la protección catódica.

Figura 3. pH de suelos en el DDV.

Para la medición de potenciales estructura-suelo, en el presente estudio se utilizaron un Analizador de Forma de Onda (WFA 107, McMiller) y un electrodo de cobre/sulfato de cobre. La medición de potenciales estructura-suelo se obtuvo a partir de los postes de medición a lo largo del DDV considerado. En este tipo de inspección, los potenciales fueron medidos en la condición del rectificador en encendido (ON) e inmediatamente después de desconectarlo, en condición de apagado (OFF). Esta operación se efectuó instalando generadores de pulsos (PG-52, McMiller) que actúan como interruptores de 2 vías, asociados a cada rectificador en cuestión. La capacidad máxima del interruptor es de 100 A. El intervalo de apagado es de 0.5 segundos, para evitar la despolarización excesiva del ducto, por 3.5 segundos en encendido. Para aquellas secciones en puntos intermedios entre dos rectificadores o más, se toma en cuenta la influencia de ambos al realizar las mediciones con el analizador de forma de señales. Este dispositivo toma 4,000 datos en un intervalo de 4 segundos y mediante un algoritmo interno, identifica las interrupciones de los generadores de pulsos y remueve las caídas óhmicas asociadas a cada rectificador. En este contexto se considerarán los términos de la tabla 1, para definir el nivel de protección de acuerdo al potencial estructura-suelo (Cathodic Protection Theory and Practice, 1982; Genescá, et al., 1990). La Fig. 4 muestra los potenciales estructura-suelo promedio del ducto en el DDV. Los valores obtenidos de potencial encendido-apagado se encuentran en la zona de sobreprotección, en los puntos de drenaje de los rectificadores A y B. La cercanía entre los potenciales en encendido y apagado tiene explicación en la relativamente baja resistividad del suelo. El ducto presenta protección insuficiente en los intervalos de los kilómetros 0+000 a 3+000 y 8+000 a 12+000. Después de la inspección del potencial tubo/suelo, la protección catódica fue insuficiente en algunas zonas. El primer equipo a revisar fue la unidad de protección, chocando la salida de corriente del rectificador, bajo los siguientes criterios:

Tabla 1. Clasificación de niveles de protección catódica basados en la Norma Mexicana.

Término

Intervalo de potencial

Descripción

Corrosión Libre > –750 mV

La pared del ducto sufre corrosión de acuerdo a la agresividad del suelo con el que está en contacto. No hay protección catódica.

Protección –750 a Parcial –850 mV

Aun cuando recibe corriente de la protección catódica, el ducto no alcanza a ser protegido por entero.

Protección Total

El metal está protegido catódicamente contra la corrosión.

–850 a –950 mV

Sobreprotección –950 a Pequeña –1050 mV

El ducto no sufre corrosión, pero puede sufrir daño leve en el recubrimiento.

Sobreprotección < –1050 mV

El ducto no sufre corrosión, pero puede sufrir fragilización por hidrógeno y desprendimiento del recubrimiento.

Artículos técnicos

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Figura 4. Potenciales estructura-suelo promedio On – Off del ducto en el DDV.

1. Si la corriente de salida es normal, el problema puede estar en el ducto; si la corriente es alta y está acompañada por bajo voltaje, con seguridad el problema está en el ducto y es causado por un incremento en la demanda de corriente o un corto circuito en una estructura metálica adyacente. 2. Si la corriente es baja con voltaje normal o alto, el problema está en la cama anódica o en los cables de conexión. 3. Si el rectificador y la cama anódica parecen funcionar correctamente, entonces la fuente de bajo potencial debe ser el ducto y puede deberse al incremento en la demanda total de corriente, debido probablemente al deterioro del recubrimiento. De acuerdo con lo anterior y a la luz de los resultados obtenidos, se puede afirmar que las resistencias del circuito en los tres rectificadores bajo estudio son bajas, es decir, los rectificadores se encuentran operando adecuadamente.

Inspección con DCVG La técnica de inspección de Gradiente de Voltaje DC (DCVG) se utiliza para localizar los defectos del recubrimiento en una tubería enterrada, los cuales son sitios potenciales de corrosión de la tubería. El equipo detecta el gradiente de voltaje generado en el suelo, debido al paso de la corriente de protección catódica a través del suelo resistivo, hacia el acero expuesto en un defecto del recubrimiento. El gradiente de voltaje es más grande y más concentrado, a medida que sea mayor el flujo de corriente, el cual es, además de otras cosas, función del “tamaño eléctrico” del defecto. En la práctica, la protección catódica se pulsa de una forma especial, para que la señal de DC bajo estudio se pueda separar de otras fuentes de DC que influyan, por ejemplo, corriente, telúricos (efectos de los campos magnéticos de la tierra), otros sistemas de protección catódica, corrientes en líneas de distribución, etc. El intervalo de interrupción asimétrico de 0.45 s encendido (On) y 0.8 s apagado (Off), proporciona una señal que facilita la localización del epicentro de los defectos. Esto permite, además, determinar la dirección del flujo de la corriente desde y hacia el defecto del recubrimiento, para que se pueda valorar el estatus de la corrosión de dicho defecto. Si la corriente neta fluye hacia el ducto, entonces el defecto está protegido catódicamente y su estatus de la corrosión se define como catódico, indicado por la letra C. Si la corriente neta fluye fuera del ducto, entonces el defecto se está corroyendo activamente y el estatus de la corrosión se define como anódico, indicado por la letra A. Cuando no fluye corriente, el defecto se clasifica como neutro, indicado por la letra N. El estatus de la corrosión de un defecto se determina normalmente en ambas condiciones, con el sistema de protección catódica operacional (encendido) y además con el transformador/rectificador que influencia la zona apagado. Esta última medición elimina la caída resistiva a través del suelo y determina la sensibilidad del defecto para que se establezca la corrosión, si parte del sistema de protección catódica se vuelve inoperante. Si el defecto está protegido en ambas condiciones de encendido y apagado, entonces su estatus de corrosión se define como catódico/catódico (C/C). Si el defecto está únicamente protegido en la condición de encendido, entonces el defecto es sensible al estatus del sistema de protección catódica y su estatus de corrosión se define como anódico/catódico (A/C). Si el defecto es anódico en ambas condiciones de encendido y apagado del sistema de protección catódica, entonces sus estatus de corrosión se define como anódico/anódico (A/A) y el defecto se está corroyendo activamente, aun cuando el sistema de protección catódica esté operando con los parámetros establecidos. La velocidad de corrosión se determina por la magnitud del flujo de la corriente neta que, en la mayoría de los casos, es muy pequeña.

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Tabla 2. Clasificación de los defectos de acuerdo a su severidad.

%IR Severidad 0 – 15 16 – 35 36 – 70 71 – 100

Categoría del defecto Pequeño Mediano Mediano / Grande Grande

Tabla 3. Defectos del recubrimiento en el LPG de 12” de Venta de Carpio a San Juan Ixhuatepec.

Severidad del defecto Pequeña Media Media / Grande Grande Total

Número de defectos 205 76 18 1 300

Porcentaje del total (%) 68.3 25.3 6.0 0.4 100.0

Figura 5. Distribución de la severidad de los defectos en el ducto.

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Basado en excavaciones y observaciones de muchos defectos de recubrimientos, localizados en inspecciones de DCVG, para relacionar la naturaleza de un defecto con una medición eléctrica, se ha desarrollado una clasificación empírica de los defectos, la cual se describe en la tabla 2. El tamaño eléctrico efectivo conocido como severidad del defecto, expresado como %IR, se calcula primero y después se clasifica la severidad de los defectos como pequeña, media, media/grande o grande, dependiendo del valor del parámetro de %IR, donde 0%IR sería un recubrimiento perfecto y 100%IR sería un área muy grande de acero desnudo, relativamente libre de películas superficiales expuestas en el suelo. De los datos registrados durante la inspección, se puede mostrar ubicación de cada defecto, su severidad y el estatus de la corrosión. Como se muestra en la tabla 3, la inspección con DCVG identificó 300 defectos en los 18 km inspeccionados en el ducto bajo estudio. La mayoría de los defectos, 205 (68.3%), fueron de severidad pequeña (0 – 15 %IR); 76 defectos (25.3%) de severidad media (16 – 35 %IR); 18 defectos (6.0%) de severidad media – grande (36 – 70 %IR) y 1 defecto (0.4%) clasificado con severidad grande (> 71 %IR). De esto se concluye que el recubrimiento en algunas zonas identificadas con alta densidad de defectos, > 60 defectos / km está en malas condiciones y requiere de reparación para alcanzar los niveles de protección catódica. La Fig. 5 muestra la distribución de la severidad de los defectos del recubrimiento del ducto en el DDV (km 0+000 – km 18+000): los defectos de severidad pequeña (0 – 15 %IR); los de severidad media (16 – 35 %IR) y los de severidad media / grande y grande (> 35 %IR).

Figura 6. Localización de los defectos del recubrimiento en el ducto.

En la Fig. 6 se observa la localización de los defectos del recubrimiento en ducto a lo largo del DDV. En esta gráfica se puede observar claramente la distribución de los defectos encontrados a lo largo de DDV. Es importante apuntar que la mayor densidad de defectos, se encuentran ubicados entre el km 4+000 y 8+000, aguas abajo y arriba del T/R A. Para algunos defectos encontrados aguas arriba del T/R A, se realizaron excavaciones para observar la severidad encontrada de los defectos, corroborándose el grado de daño encontrado en éste.

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Artículos técnicos

Figura 7. Consumo de corriente de la protección catódica por los defectos del recubrimiento en el ducto.

En la Fig. 7 se observa hacia qué zonas se consume en mayor proporción la corriente de protección catódica, por lo que a pesar de que entre el kilómetro 8+000 y 9+000 se encuentran los defectos de mayor severidad, éstos no consumen tanta corriente, en comparación con el consumo de ésta por los defectos localizados entre el kilómetro 4+000 y 8+000. Finalmente, el comportamiento total de la corrosión de DCVG de los 300 defectos es como sigue (tabla 4): 165 defectos (55.0%) tuvieron comportamiento catódico/catódico, indicando que se encuentran protegidos en todo momento, 67 defectos (22.3%) tienen un comportamiento de la corrosión anódico/anódico, desprotegidos y 68 defectos (22.7 %) mostraron un comportamiento anódico/catódico, protegidos (Fig. 8).

Tabla 4. Comportamiento de la corrosión de los defectos del recubrimiento del ducto.

Comportamiento de la corrosión Catódico/ Anódico/ Anódico/ Catódico Anódico Catódico

Defectos TOTALES % TOTAL

165

67

68

55.0

22.3

22.7

Figura 8. Comportamiento de la corrosión en los defectos del recubrimiento del ducto.

De todo lo expuesto anteriormente, se observa la ubicación de las zonas que están demandando la mayor cantidad de corriente, debido a la presencia de defectos (Fig. 9). Por otra parte, esta alta demanda de corriente origina la desprotección de otras zonas más alejadas a los rectificadores, incrementando con ello la severidad de los defectos en dichas zonas (Fig. 10). Por lo tanto, se recomendó la reparación del recubrimiento en zonas de alta densidad de defectos (aguas arriba y abajo del T/R A) entre los kilómetros 4+000 y 8+000; con esto se espera un incremento en la cobertura de protección hacia los defectos de mayor severidad más alejados del rectificador, entre el kilómetro 8+000 y 9+000, para alcanzar los niveles de protección catódica establecidos por la norma. Esto se deduce, además, del comportamiento de la corrosión de los defectos ubicados entre el kilómetro 8+000 y 9+000, de los cuales, la mayoría son catódicos/catódicos. Para el caso de la zona de cobertura del T/R B, se recomienda el alejamiento de la cama de ánodos del ducto, para incrementar y optimizar la perspectiva de la cobertura de la protección catódica y disminuir los potenciales de sobre protección en el punto de drenaje y así evitar posibles daños ocasionados por el exceso de protección catódica.

Conclusiones La agresividad del terreno en los derechos de vía evaluados bajo su resistencia eléctrica, se clasifican como corrosivos a muy corrosivos. Figura 9. Demanda de corriente y potenciales de protección On – Off, en los defectos del recubrimiento del ducto en el DDV.

El terreno no es susceptible de sostener corrosión bacteriana. Por las características del terreno, un ducto con o sin insuficiente protección catódica es susceptible de corrosión, debido a las condiciones corrosivas derivadas del diagnóstico de la resistividad del suelo. Los rectificadores T/R III, T/R A y T/R B presentan eficiencias normales. Las resistencias de circuito de los rectificadores, presentan valores normales. Los potenciales de protección del ducto son bajos en zonas alejadas

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Figura 10. Localización de los defectos del recubrimiento del ducto en el DDV, relacionados a los potenciales de protección On – Off.

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del área de cobertura de los rectificadores, debido a la gran densidad de defectos en el recubrimiento del ducto en la zona alrededor del T/R A, aproximadamente del km 4+000 al 6+000 (57 defectos/km promedio). Después del T/R A aproximadamente del km 6+000 al km 8+000, el gran número de defectos fueron encontrados en dos ductos aledaños al ducto bajo estudio. Aunque uno de los ductos se encuentra fuera de operación, sigue interconectado eléctricamente al ducto bajo estudio (afectando su protección adecuada debido al gran consumo de corriente de protección, por el ducto fuera de operación aledaño a éste) y al segundo ducto aledaño, por lo que sigue siendo parte del sistema de protección catódica.

Debido a la cercanía con torres de transmisión de electricidad, se encontraron evidencias de inducción de corriente alterna en todo el DDV bajo estudio, las cuales no son críticas, de acuerdo a valores reportados en la literatura.

Referencias Methods of testing for the presence of sulfate reducing bacteria, R.E. Tatnall, E. Stanton, Corrosion, paper No. 88 (Houston, TX: NACE 1988). Romanoff, M., Underground Corrosion, NBS Circular 579, (1957), p.64. Robinson, W.C. Testing Soil Corrosiveness Materials Performance, No. 4, 1993. Cathodic Protection Monitoring for buried Pipelines, Item No. 24169, Publication No. 54276, National Association of Corrosion Engineers, 1988, Houston, EUA. Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection on Underground or Submerged Metallic Piping Systems, NACE Standard TM0497-97, Item No. 21231, National Association of Corrosion Engineers, 1997, Houston, EUA. Cathodic protection Theory and Practice- The Present Status, NACE & I. Corr. S.T., 28-30 Abril, Coventry, Inglaterra, 1982. Genescá, J. y Ávila, J. Más Allá de la Herrumbre- Protección Catódica, SEP Conacyt, 1990. Munger, C. G. y Robinson R.C., Mat. Performance, No. 7, Julio 1981. Eikes, E. Int. Corrosion Conf., IMF I. Corr. T., I Mar B, London 1973, p 21-25. Control de la Corrosión Externa en Tuberías de Acero Enterradas y/o Sumergidas, Norma Oficial Mexicana NOM-008-SECRE-1999. Peabody A. W., Control of Pipeline Corrosion NACE, 1976, p 83.Corrosión Externa en Tuberías de Acero Enterradas y/o Sumergidas. Peabody, A. W., Control of Pipeline Corrosion NACE, 1976, p 83.

Miguel Ángel González Núñez Ingeniero Metalúrgico con especialidad en Metalurgia Física por el Instituto Politécnico Nacional en 1991. Maestría en Ciencias con especialidad en Corrosión por el Instituto de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Manchester (UMIST), en 1994. Doctorado en Filosofía con especialidad en Corrosión por el Instituto de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Manchester en 1998. Ingresó al IIE en agosto de 1991 en las áreas de Materiales y Corrosión, en las cuales ha desarrollado su trabajo en ambientes corrosivos a alta y baja temperatura, análisis de fallas de materiales contando con 15 años de experiencia en su área. Ente sus áreas de especialización se encuentran la de “Corrosión, Recubrimientos y Protección Catódica” y “Metalurgia Física y Materiales”. Es además, inspector en Ultrasonido nivel II, por ASNT, US; inspector nivel II en Líquidos Penetrantes y Partículas Magnéticas, por ASNT, US; inspector en DCVG Nivel II, por APRT, UK e inspección de

Artículos técnicos

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recubrimientos de tubería enterrada: Cathodic Protection Tester CP1 – NACE; Cathodic Protection Technician CP2 – NACE; Cathodic Protection Technologist CP3 – NACE; Cathodic Protection Interference – NACE. Entre los proyectos que ha dirigido y en los que ha participado se encuentran el curso de capacitación en la técnica de DCVG en 2003 y 2004; evaluación, diagnóstico e ingeniería del cambio de anclaje de los cobertizos y el anillo de cimentación del tanque de almacenamiento TV-2002, en la Terminal Marítima Dos Bocas en 2003; evaluación y diagnóstico de la protección catódica en el LPG ducto de 12”, en el DDV Venta de Carpio- San Juan Ixhuatepec en 2004 e inspección por ultrasonido en soldaduras de ductos en puntos críticos del sector Venta de Carpio, los últimos 4 años (al 2007). Ha asistido e impartido seminarios y conferencias nacionales e internacionales y ha fungido como jurado en varios exámenes predoctorales en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). [email protected] José María Malo Tamayo Ingeniero en Energía egresado de la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) en 1979 y Doctor en Corrosión y Protección por la Universidad de Manchester, Inglaterra en 1986. Laboró en el Instituto Mexicano del Petróleo de 1979 a1981 y de 1986 a 1989. Ingresó al IIE en enero de 1989, a los Departamentos de Energías Fósiles y Fisicoquímica Aplicada y ha desarrollado su trabajo en las áreas de Corrosión y Protección. Ha impartido seminarios y conferencias a nivel nacional e internacional. Cuenta con 25 publicaciones en congresos y simposios y pertenece al Sistema Nacional de Investigadores desde 1985, Nivel 1. Ha dirigido 10 tesis de Licenciatura y 2 de Maestría. [email protected]