ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL

1. ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERIA EN MECANICA Y CIENCIAS DE LA PRODUCCION “DISEÑO E INSTALACIÓN DE UN SISTEMA INTEGRAL DE PROTECCIÓN CATÓDICA PARA UN TANQUE DE AGUA DE PROCESO EN LA INDUSTRIA PETROLERA” TESIS DE GRADO Previo a la obtención del Título de: INGENIERO MECÁNICO Presentada por: Álvaro Moreano Altamirano Fecha: 4 de Marzo de 2005 GUAYAQUIL – ECUADOR

2. Objetivos Mostrar las tendencias actuales para protección catódica de tanques de almacenamiento, y la selección del método a utilizar. Diseñar el sistema de protección catódica externo e interno del tanque (Cód: T2118-C). Presentar el proceso de construcción e instalación de la malla anódica y ánodos galvánicos en el sitio. Analizar los resultados obtenidos en las pruebas de polarización realizadas al Tanque.

3. DAÑOS POR LA CORROSION

4. Mecanismos de corrosión • Ambas figuras muestran picaduras sobre las planchas de acero.

5. Mecanismos de corrosión • Producido por una diferencia de aireación

6. Resumen deFormas de Corrosión • Generalmente un tanque presenta como zona crítica las planchas del fondo, ya que están sujetas a corrosión externa por el lado del suelo, corrosión interna en el lado del fluido o electrolito, y en la estructura exterior del tanque corrosión atmosférica.

7. Resumen deFormas de Corrosión • La norma API 653 lista seis posibles causas de fallas en fondos de tanques debidos a problemas de corrosión. • Entonces se necesita un sistema de protección integral a la estructura, en contra de las diferentes formas de corrosión.

8. Posibles Soluciones • Uso de aleaciones resistentes a la corrosión, recubrimientos, protección catódica, un buen diseño mecánico que evite celdas de corrosión (API 650), son indispensables para alargar la vida útil de un tanque de almacenamiento.

9. Posibles Soluciones • Seleccionando la protección catódica para el control de la corrosión en el tanque, es necesario además llevar un programa de inspección que revise los parámetros que establecen el comportamiento del SPC a ser instalado.

10. Métodos de protección catódico • Existen dos métodos de protección catódica: por ánodos de sacrificio y corrientes impresas. En los dos casos el principio es el mismo y consiste en direccionar una corriente continua a través del electrolito hacia la estructura.

11. Métodos de protección catódico • En el primer caso la energía se genera debido a la diferencia de potencial entre el par galvánico. • En el segundo caso un transformador/rectificador convierte la corriente alterna a corriente DC, la cual es direccionada hacia la estructura a proteger.

12. Métodos tradicionales de protección catódica por ánodos de sacrificio y corrientes impresas.

13. Ventajas de los métodos actuales de protección • Menor interferencia con estructuras adyacentes. • 50 años de vida útil del sistema catódico, por sus baja tasa de consumo. • Resistencia a la acidez en suelos. • Alta tasa de distribución de corriente

14. Métodos actuales de protección catódica Aplicación Tanques

15. Métodos actuales de protección catódica Para Tuberias Tanques

16. Tradicionales La distribución de corriente se ve afectada por el anillo de hormigón o por geomembranas. Alta resistencia del lecho anódico. Mayores conexiones eléctricas y requiere mayor tiempo de instalación. Origina problemas de interferencia con otras estructuras adyacentes ya protegidas. Actuales Optimizan la distribución de corriente Baja resistencia del lecho anódico. Menor número de conexiones eléctricas y fácil construcción e instalación en situ. Se utilizan en tanques nuevos, y no originan problemas de interferencia por corrientes parásitas hacia otras estructuras. Comparación entre métodos de protección catódica.

17. PARTE 2“DISEÑO DEL SPC EXTERNO”

18. Procedimiento de DiseñoDatos Necesarios • Resistividad del suelo. • Superficie externa del fondo del tanque. • Densidad de Corriente. • Eficiencia de revestimiento

19. Datos Necesarios Calculamos la corriente de protección

20. Selección del método a utilizar • Debido a que la corriente es mayor a 5A, es necesario utilizar un sistema de CP por corrientes impresas. • A partir de aquí seleccionamos como ánodos, las cintas de substrato de Ti con recubrimiento de Metal Mixed Oxides (MMO). • Estos ánodos permanecen estables durante el tiempo y prolongan la vida útil del sistema de protección durante 50 años.

21. Datos técnicos de los ánodos • Material: Substrato : Ti , el cual reúne los estándares de ASTM B265 Gr 1. MMO : Óxidos metálicos altamente conductivos, que actúan como catalizador en la distribución de corriente. Ej.: Ir, Ta. • Capacidad de salida de corriente: (Arena fina ): 12.8 mA/ft @ 3 A/m2. • Dimensiones: Ancho : 6.35 mm Espesor:.635 mm Área : 0.014 m2 / m

22. Cálculo de la longitud anódica • Existen dos ecuaciones para estimar la longitud total minima de la cinta anódica, requerida para transportar 8.52 A. • Donde: Ipc: Corriente de proteccion catodica Cr: Tasa de consumo (Kg/A – Y) Ca: Capacidad de suministro de corriente (A/m) Ml: Masa por unidad de longitud (kg/m) t : Vida util del sistema anodico

23. Cálculo de la longitud efectiva • Utilizaremos la última ecuación por simplicidad Entonces : L = 8.52A / 0.042 A/m=202.94 m. • Por datos de construcción civil, la malla de ánodos estará situada a 0.45 m por debajo del fondo del tanque. Por análisis geométrico estimaremos la cobertura de cada cinta, conociendo que la distribución de corriente se realiza a un angulo de 120˚.

24. Modelo de Distribución de corriente

25. Calculo del número de cintas • Con ello cada ánodo puede proteger una sección del fondo del tanque con ancho S. Entonces asumiremos una separación de 1.5 m entre cintas anódicas. • A partir de aquello calculamos el número de cintas a ser instaladas.

26. Cálculo de las longitudes de cintas • Las siguientes ecuaciones permiten el calculo de la longitudes de cada una de las 19 cintas anódicas

27. Longitud Real de Instalación • Entonces la longitud real a ser instalada es mayor que la longitud mínima requerida calculada previamente, asegurando de esta manera una buena distribución de corriente hacia el fondo del tanque. • Para lograr una rigidez en la malla anódica, se instalara 4 barras distribuidoras de Titanio, con dimensiones 12.7 * 1 mm separadas a 5.64 m, obteniendo una longitud de 117.4 m, con ello además aseguramos una buena continuidad eléctrica.

28. Resistencia del Titanio • La resistividad del Ti esta entre 4.2 – 5.2*E-07 Ω*cm. • Utilizando la ecuación de resistencia para un conductor tenemos para una cinta:

29. Cálculo de Resistencia de la malla anódica • A continuación se procede a calcular la resistencia eléctrica del sistema catódico, por medio de dos ecuaciones. La primera es la ecuación de Dwight para el cálculo de resistencia del sistema Ribbon. • Los parámetros que utiliza esta ecuación son los siguientes: ρ = Resistividad del relleno dentro del anillo de hormigón L = Longitud total del ánodo utilizado d = Diámetro equivalente respecto al ancho del ánodo de cinta h = Separación entre el ánodo de cinta hacia el tanque

30. Cálculo de Resistencias • La segunda ecuación, es utilizada para encontrar la resistencia propia del ánodo, siendo obtenida por un análisis infinitesimal utilizando un modelo de la sección transversal de una cinta anódica.

31. Cálculo de Resistencias • Los parámetros que utiliza esta ecuación son los siguientes: ρ = Resistividad del relleno dentro del anillo de hormigón. L = Longitud total del ánodo utilizado. d = Diámetro equivalente respecto al ancho del ánodo de cinta. h = Separación entre el ánodo de cinta hacia el tanque.

32. Cálculo de Resistencias • Calculada ambas resistencias se obtiene un promedio entre ambas y el resultado es dividido para el número de cintas anódicas a utilizar. Al valor de resistencia obtenido se lo deberá multiplicar por un factor de seguridad de 3 como mínimo, a fin de prever algún cambio en la composición del lecho de arena del fondo del tanque durante el tiempo de servicio. • La capacidad mínima del rectificador a utilizar en el sistema de protección catódico externo es

33. Selección del transformador/Rectificador • Se ha considerado un transformador rectificador con carcaza de acero inoxidable NEMA 4X, con alimentación trifásica de 480 VAC, 60 Hz, y una salida de 15 ADC/ 60 VDC La salida de 60 VDC se ha considerado en caso de existir un incremento en la infraestructura del sector. El rectificador será enfriado por aceite y estará instalado fuera del dique de contención del tanque

34. PARTE 3“DISEÑO DEL SPC INTERNO”

35. Diseño del SPC Interno • Se conoce que el agua de proceso es altamente corrosiva debido a su baja resistividad y elementos presentes en su composición química, por lo que para este diseño se ha considerado un valor de resistividad igual a 100 ρ-cm; el tanque posee una temperatura de operación de 80ºC. Se tiene previsto en el diseño del Sistema de protección catódica, que la protección al interior del tanque tenga una vida útil de 10 años.

36. Densidad de Corriente • Con el dato de la resistividad del agua de proceso, se procede a determinar la densidad de corriente del tanque de acuerdo a la siguiente expresión: • El interior del tanque estará pintado y debido a que el sistema de pintura a ser aplicado es nuevo, se ha asumido una eficiencia del revestimiento del 90% para cubrir cualquier pequeño defecto en la aplicación de dicho sistema:

37. Cálculo de masa anódica • Para el tanque se han seleccionado ánodos de 42.2 lbs. de aleación de aluminio y el consumo de este tipo de ánodos esta alrededor de 910 Amp-hr/lb, valor con el cual se determinará la masa total anódica requerida, para ser instalada al interior del tanque, y que cumpla con los requisitos de protección catódica y una vida estimada de 10 años; la siguiente expresión muestra el cálculo de la masa anódica: • Por consiguiente, la cantidad de ánodos de sacrificio a emplear dentro del tanque de almacenamiento es de 12. • Se ha considerado utilizar ánodos de Aluminio tipo GALVALUM III, por su alta capacidad de descarga de corriente

38. Procedimiento de Instalación • En la instalación del sistema de protección, se requiere instalar adicionalmente una tubería de venteo y otra de irrigación, las cuales servirán para mantener la eficiencia del electrodo de referencia y eliminar el exceso de posibles vapores producidos por las reacciones químicas durante el funcionamiento de la protección catódica respectivamente. • Las uniones eléctricas entre el cable positivo AWG # 6 proveniente del rectificador, y la barra de conducción de Titanio debajo del fondo del tanque, será realizada por medio de unión mecánica utilizando empalme tubular. Además para garantizar la hermeticidad de las uniones es necesario protegerlas con resina epóxica.

39. Encapsulacion Epoxica

40. Procedimiento de Instalación • El terminal del cable positivo AWG # 12 proveniente del Electrodo de Referencia, se instalará en la estación de prueba, para conjuntamente con el cable negativo AWG # 12 proveniente del tanque se pueda monitorear los potenciales eléctricos del fondo central del tanque. • Las uniones entre las barras de conducción y los ánodos de titanio serán ejecutadas por medio de Soldadura de punto tipo Resistance Spot Welding. • El cable negativo AWG # 6 proveniente del rectificador y el cable negativo AWG # 12 proveniente de la estación de medición se conectarán a la estructura por medio de una platina metálica soldada a la superficie del mismo.

41. Proceso de SoldaduraTi - MMO

42. Parámetros de Soldadura

43. Procedimiento de Instalación • Para garantizar un correcto funcionamiento del sistema de protección catódica, es necesario instalar un electrodo de referencia de Cu/CuSO4 para servicio enterrado en el centro del tanque con su respectiva estación de medición de potencial eléctrico

44. Instalación Final

45. Conclusiones y Recomendaciones • Los sistemas de protección catódica por corrientes impresas ICCP, utilizando un modelo tipo malla han sido reconocidos internacionalmente en ser efectivos en controlar la corrosión por el lado del suelo, en tanques de almacenamiento por sobre la superficie ASTs. • Utilizando este diseño, existen parámetros importantes que deben ser analizados con cuidado, siendo ellos la eficiencia del revestimiento, espaciamiento entre cintas, resistividad del suelo.

46. Conclusiones y Recomendaciones • Es recomendable instalar un fina capa de backfill, por encima de la malla, logrando un mejoramiento de la continuidad del medio. • Los ánodos seleccionados en ésta tesis ( Ti – Oxidos metálicos) poseen excelentes propiedades como resistencia a la acidez, baja tasa de consumo y una mayor distribución de la corriente con respecto a los sistemas tradicionales, es por esto que se están utilizando en la protección de tanques a nivel mundial.

47. Conclusiones y Recomendaciones • A partir de las pruebas de polarización y de interferencia realizadas al tanque, los resultados muestran la existencia de interferencia del tipo estática, causada por corrientes parásitas que son originadas por la cercanía de ánodos difusores de corriente, pertenecientes a sistemas catódicos externo cercanos a la zona del tanque. • Las pruebas de interferencia muestran paulatinamente el incremento de los potenciales de polarización en toda la estructura, comprobando de ésta manera que los potenciales no excedan los 1500 mV.

48. Conclusiones y Recomendaciones • Considerando la desconexión de dos rectificadores cercanos al cubeto, los nuevos valores de potencial natural del tanque están en el orden de 761 mV, siendo este valor reconocido internacionalmente como el potencial natural del acero. • Los potenciales de polarización bajo las condiciones anteriores, muestran valores promedios de 970 mV. Los ensayos ON – OFF cumplen con el criterio de los 100 mV, estipulado por normas NACE. • El transformador – rectificador quedó operando correctamente en los selectores COARSE 1 FINE 1, con un voltaje de salida en sus terminales de 2.9 VDC y 2.94 ADC.

49. Conclusiones y Recomendaciones • Es recomendable instalar un electrodo de referencia por cada 15m de diámetro que posea un tanque. Logrando de esta manera un mayor control del potencial en varios puntos del fondo del tanque. • El electrodo debe estar situado entre 5 – 20 cm. por debajo del fondo del tanque, porque asi eliminamos la caída de potencial entre el medio y el fondo. • El espaciamiento de la cintas anódicas no debe exceder de cuatro veces la distancia entre malla y fondo del tanque. • Siempre realizar varias pruebas de soldadura, para verificar voltaje en sitio de trabajo, antes del procedimiento final, esto es necesario para calibrar parámetros.

50. Conclusiones y Recomendaciones • Implementar un programa mensual de inspección visual, bi-mensual para el sistema de CP, y a los cinco primeros años de servicio realizar una inspección por ultrasonido de espesores de pared. Ver figura • Se complementa la protección integral al fondo del tanque utilizando ánodo tipo galvalum III, en el interior del tanque. Ver figura.