proteccion catódica para el oleoducto bicentenario
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DISEÑO DE SISTEMA DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA EL OLEODUCTO
BICENTENARIO.
Daniel Aramburo Vélez
3202173311
Fundación Universidad de América
Introducción
Los oleoductos son un ensamblaje de tubos de acero con diámetros internos que suelen
oscilar entre los 30 y los 120 centímetros. Pueden ser construidos sobre la superficie o
enterrados bajo tierra. Mucho más que un sistema de transporte de hidrocarburos, el
oleoducto es la pieza maestra de la industria petrolera y constituye la forma más rápida,
rentable y segura de transportar crudo a través de grandes distancias.
Por estar enterrados en el suelo, un ambiente corrosivo agreste, los oleoductos por lo
general deben estar protegidos contra la corrosión, no solo por una, sino por gran parte de
las técnicas existentes.
El objetivo de esta investigación, es el diseño de la protección catódica por corriente
impresa para el Oleoducto Bicentenario en construcción en los llanos orientales de
Colombia, específicamente para el tramo Araguaney-Banadía. Este tramo consta de 230 km
de tubería de 42 pulgadas, y está constituido por tubos con una longitud de 12 m cada uno
con una masa de 5,5 Ton.
Para efectos del diseño del sistema de protección catódica, asumiremos que la corrosión
que actúa sobre la tubería es únicamente corrosión uniforme, sin embargo es claro que en
un ambiente como el suelo se presentarán diferentes tipos de corrosión disminuyendo
notablemente la vida útil de la tubería.
1. Diseño Básico.
La protección catódica se realizara a través de corriente impresa mediante ánodos
inertes de Titanio, que irán ubicados dentro del ancho de vía del oleoducto (1,4 m),
a lado y lado de la tubería, por lo que estos deben estar a una distancia no superior a
17 cm de la tubería. Los electrodos inertes estarán separados el uno del otro a una
distancia de 10 m para minimizar los requerimientos de Potencia, debidos
especialmente a la caída de potencial por el paso de corriente a través del electrolito.
El de titanio platinado es un ánodo especialmente indicado para instalaciones en
agua de mar, aunque también es perfectamente utilizable en aguas dulces o incluso
en suelos. Su característica más relevante es que con pequeños voltajes (12 V) se
pueden sacar intensidades elevadas de corriente, y además, su desgaste es apenas
perceptible
El sistema de protección se hará en base a diagramas de polarización y de Pourbaix
experimentales para una tubería de acero enterrada en el suelo.
Figura No. 1. Diagrama de Polarización para una tubería de acero enterrada en suelo aireado.
Adaptado de: Barbalat, M. Caron, D. Lanarde, L. Meyer, M. Fontaine, S. Castillon, F. Vittonato, J. Refait, P. (2013). Estimation of residual corrosion rates of steel under cathodic
protection in soils via voltammetry. Corrosion Science 73, 228.
Del anterior diagrama de polarización se obtienen los valores:
Ecorr (V v.s ENH) -0,332
Icorr (mA/m2) 10
2,225
Tabla No. 1. Datos de potencial y corriente de corrosión para una tubería de acero enterrada en suelo aireado
Para analizar la situación de corrosión en la que se encontraría la tubería de acero en un
suelo como el del terreno en donde va a ser instalada se debe tener en cuenta las
propiedades de dicho suelo:
Figura No. 2. Resumen características de suelo en Arauca-Arauca. Tomado de: Hernandez, J. (2011). Diversidad y Conservación de propágulos en suelo en diferentes tipos de vegetación del
municipio de Arauca (Arauca). Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias, Departamento de Biología
Bogotá D.C., Colombia. p. 35.
Aplicando las anteriores condiciones del suelo (pH) y el potencial de corrosión (Ecorr de la
Tabla No 1. en el diagrama de Pourbaix para el Hierro:
Figura No. 3. Diagrama de Pourbaix para el Hierro a las condiciones de potencial y pH en un suelo aireado,
T= 298,15 K , P= 1 Bar. Adaptado de: Takeno, N. (2005). Atlas of Eh-pH diagrams: Intercomparison of
thermodynamic databases. Geological Survey of Japan Open File Report No.419. p. 102.
De las anteriores aproximaciones se puede concluir que la tubería se encuentra en zona de
corrosión activa, y que aplicar la protección catódica para llevarlo a una zona de inmunidad
sería demasiado costoso; el potencial de inmunidad (-1,018 V v.s. Cu/CuSO4) no aparece
en el diagrama de polarización de la figura No.1.
Sin embargo si se puede ampliar el tiempo de duración de la tubería mediante la aplicación
de corriente impresa que reduzca la tasa de corrosión, lo que será el paso a seguir de aquí
en adelante.
2. Cálculos de tiempo de duración de la estructura sin protección catódica.
Para la ecuación de Faraday, y suponiendo una eficiencia de la reacción química del
100%, conocemos la intensidad de corriente por unidad de área, por lo que debemos
conocer la masa por unidad de área de la estructura a proteger, y esto lo logramos
mediante la masa, el diámetro y la longitud de cada tubería.
( )
(
) (
) (
) (
)
Adicional a esto, suponiendo que la tubería es un acero de baja aleación, con un
porcentaje de aleantes del 4%, la masa efectiva de hierro por unidad de área sería:
(
)
Por razones de seguridad, al consumirse el 50% de la masa, la tubería se debe
abandonar y se considera inservible, por lo que:
(
)
(
)
Luego despejando el tiempo en la ecuación:
( )
( )
El valor de n es el número de electrones en la ecuación:
( ) (
)
(
) (
)(
)
(
) (
) (
)
43 year
Por lo que si solo se tiene en cuenta la corrosión uniforme sobre la superficie, la estructura
será útil durante 43 años, sin embargo es conocido que este no es el único tipo de corrosión
que actúa, por lo que se hace necesario implementar la protección.
3. Cálculos de corriente y potencial que se deben aplicar para que la estructura tenga
una vida útil de 100 años, únicamente teniendo en cuenta la corrosión uniforme.
( )
(
) (
) (
)
( ) (
) ( )
(
)
(
) (
)
(
) (
)
(
)
Figura No. 4. Diagrama de Polarización para una tubería de acero enterrada en suelo aireado antes y después de la aplicación de la protección catódica por corriente impresa planteada.
Adaptado de: Barbalat, M. Caron, D. Lanarde, L. Meyer, M. Fontaine, S. Castillon, F. Vittonato, J. Refait, P. (2013). Estimation of residual corrosion rates of steel under cathodic
protection in soils via voltammetry. Corrosion Science 73, 228.
La corriente aplicada en el sistema de protección por corriente impresa diseñado
debe ser:
Que para toda la estructura debe ser:
(
) ( (
) )
(
) ( (
) )(
) (
)
(
)
Para el cálculo del voltaje que debe aplicar el rectificador:
De la figura No.4. Podemos conocer las polarizaciones tanto anódica como
catódica:
η anódico (V) 0,13
η catódico (V) 0,16 Tabla No. 2. Datos de polarización anódica y catódica en el sistema de protección por corriente
impresa propuesto
Para calcular la resistencia ánodo- electrolito nos valemos de la ecuación de
Dwight:
Adicionalmente podemos conocer la caída de potencial debida al electrolito, en este
caso el suelo conociendo la resistividad del suelo en la zona:
Tabla No. 3. Resistividad v.s % de humedad en un suelo arenoso.
Tomando un valor promedio de 185 Ω.m teniendo en cuenta que las características
del suelo en la región varían de muy secas a húmedas:
(
)
Donde l es la separación del electrodo inerte a la tubería (17 cm) y A es el área
transversal entre estos. La cual sería el área transversal de la tubería en contacto con
el suelo. Y poniendo un ánodo cada 10 m sería:
Entonces la caída de potencial debida al paso de la corriente a través del electrolito
es, dividiendo la corriente aplicada en intervalos de 10 m:
(
) (
)
La caída de potencial total en el sistema será:
Luego la potencia que se debe aplicar será:
Esa cantidad de energía se aplica durante los 100 años que se espera funcione el
oleoducto, luego:
(
) (
) (
)
(
) (
) (
)
Teniendo en cuenta el precio por kwh de energía que aplica para Bogotá en el año
2013 (Estrato 3):
(
)
(
)
Doscientos veinticuatro mil millones de pesos será el costo de la energía para la
protección durante los 100 años de funcionamiento.
El valor de esta energía mensualmente sería:
(
) (
)
Esto son ciento ochenta y siete millones de pesos al mes.
4. Conclusiones
- El valor de la protección catódica fue de ciento ochenta y siete millones de
pesos al mes, lo que significa un valor bastante alto no obstante los altos
ingresos que obtiene el oleoducto mensualmente, es por esto que este tipo de
estructuras utilizan una combinación de varios sino todos los mecanismos de
protección contra la corrosión, de tal forma que se minimicen los costos de los
mismos.
- Durante el trabajo siempre se tuvo en cuenta la suposición de que únicamente
actuaría la corrosión uniforme, si fuese de esta manera, la estructura si lograría
operar durante los 100 años estimados. Sin embargo, en realidad estas
estructuras se encuentran expuestas a numerosos tipos de corrosión, por lo que
su vida media oscila entre 30 y 50 años, aún con todos los mecanismos de
protección utilizados.
REFERENCIAS
Barbalat, M. Caron, D. Lanarde, L. Meyer, M. Fontaine, S. Castillon, F. Vittonato, J.
Refait, P. (2013). Estimation of residual corrosion rates of steel under cathodic
protection in soils via voltammetry. Corrosion Science 73, 222–229.
Hernandez, J. (2011). Diversidad y Conservación de propágulos en suelo en diferentes tipos
de vegetación del municipio de Arauca (Arauca). Universidad Nacional de
Colombia Facultad de Ciencias, Departamento de Biología Bogotá D.C., Colombia.
p. 35.
Takeno, N. (2005). Atlas of Eh-pH diagrams: Intercomparison of thermodynamic
databases. Geological Survey of Japan Open File Report No.419. p. 102.