boletin iie-01-2003 - Instituto de Investigaciones Eléctricas

Aplicaciones tecnológicas19Evaluación y diagnóstico de laprotección catódica en lamargen izquierda del Río Tonaláde la Superintendencia Generalde Ductos MinatitlánMiguel A. González N., José M. Malo T., Ramón Muñoz Ledo C.,Jorge Uruchurtu C., Rafael Castrejón G., Luis Sánchez G.*,Raúl Algarra M.* y Emilio Abreu L.*ResumenEl presente estudio contiene las mediciones obtenidas como parte de la Evaluación del sistema de protección delos ductos ubicados en la margen izquierda del Río Tonalá, realizadas por la Gerencia de Materiales y ProcesosQuímicos (GMPQ) del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) durante el último trimestre del año 2001.Asimismo, se tratan las mediciones de potencial en condiciones de “encendido” y “apagado instantáneo” enpostes de medición del ducto en los Derechos De Vía (DDV) Tonalá-Nudo Teapa 23, con el propósito de determinarel nivel real de protección alcanzado por el sistema de protección catódica, las posibles zonas desprotegidas ylas posibles medidas correctivas que conduzcan a una operación segura de los ductos.IntroducciónLos ductos e instalaciones enterradas,construidos a base de estructurasmetálicas o acero, estánexpuestas a los efectos de corrosión,y para reducir estos efectoses necesario ejercer, mediante unsistema eficiente de proteccióncatódica, el control de los factoresque influyen en el procesoelectroquímico de corrosión.Tanto los ductos como las instalaciones a cargo de la SuperintendenciaGeneral de Ductos (SGD) Minatitlán se localizan en los DDV deDuctos Propios y Compartidos, entrelazándose con los DDV asignadosa las subsidiarias Pemex Refinación, Pemex Exploración y Producción,y Pemex Petroquímica Secundaria y con ductos e instalaciones de empresasprivadas.En esta zona, algunos municipios del sur del estado de Veracruz hanexperimentado una gran proliferación de instalaciones petroleras, entreellos ductos de transporte que conducen más de 100 productos diferentesde hidrocarburos y sus derivados, así como un sinnúmero de actividadesderivadas de la industria petrolera y privada, que han provocadocambios en el entorno.Para definir correctamente el proyecto de un nuevosistema de protección catódica en diversos DDV a cargode la SGD Minatitlán, se requiere conocer el censo y alcancede protección en todas las estructuras que intervienenmediante sistemas que controlan la corrosión, quesean funcionalmente eficaces, que cumplan con la normatividadvigente, y que tengan sus respaldos documentalescompletos, es decir, como son los registros necesarios depruebas en campo de cada una de las disciplinas que inter-* Pemex Gas y Petroquímica Básica, Gerencia de Mantenimiento.

Boletín IIE, enero-marzo del 200320vienen en su diseño, los planos con sus especificaciones correspondientespara cada rama de ingeniería que intervenga, levantamientos, pruebas delaboratorio, así como de los diseños y memorias de cálculo, de los componentesdel sistema, y de las soluciones tomadas como parte de la integridadmecánica propia en esta zona industrial. Además, se deben considerarlos datos de las instalaciones propias y ajenas existentes, en algunoscasos es necesario recopilar datos de cambios de dirección desconocidosen los ductos, así como confirmar ubicación de puenteos entre ductosconocidos y ductos desconocidos alojados en forma paralela o que cruzancon el ducto o los ductos objeto de estudio. Es necesario conocer todosestos datos, ya que cualquier estructura conectada al sistema de protecciónestá involucrada con él, y son variables importantes que puede influiren la eficiencia del resultado final del proyecto y evitar la afectacióna un ducto ajeno.Propiedades del sueloLos factores más comunes para controlar el nivel de corrosividad de unamasa de suelo son: oxígeno, sales disueltas y elementos formadores deácidos. Las pruebas que deben realizarse en corrosión para evaluar el nivelde agresividad corrosiva del suelo incluyen la medición del pH, medidasde cloruros y sulfatos, resistividad total, acidez total y el potencialRedox. Los sólidos volátiles y otras especies son también medidos, dependiendode las aplicaciones específicas.Potencial de oxidación–reducciónLa medición del potencial de oxidación–reducción (Redox) es una manerade identificar las condiciones del suelo que pueden apoyar bacteriasanaeróbicas, como las bacterias sulfato-reductoras (Tatnall y Stanton, 1988)como se muestra en la Tabla 1.La medición de potenciales Redox se realiza mediante el contacto delos electrodos, de platino y cobre/sulfato de cobre, con el suelo en campoo con la muestra de suelo en laboratorio. Finalmente, el valor puede serexpresado en mV contra la escala de cobre/sulfato de cobre o contra ladel electrodo de hidrógeno, que es la referencia universal.ResistividadLa resistividad del suelo es una de las propiedades comúnmente usada comoun indicador de la capacidad de un suelo para promover la corrosión de unaestructura metálica. El criterio más simple para medir la corrosividad de unsuelo es su resistividad, que depende de su naturaleza y cantidad de salesdisueltas en el suelo y es también afectada por la temperatura y el contenidoTabla 1. Agresividad del suelo en función de su potencial Redox.Grado de agresi- Potencial Redox en mV Potencial Redox en mV vs.vidad potencial vs. electrodo de Cu/CuSO 4electrodo de hidrógenoMuy corrosivo < -200 < 100Corrosivo -200 a -100 100 a 200Poco Corrosivo -100 a 100 200 a 400Nulo > 100 > 400de humedad, compactación delsuelo y presencia de materialesinertes como rocas o grava(Romanoff, 1957; Robinson,1993). Este concepto no es el únicocriterio necesario para evaluarla agresividad de un suelo. Una clasificacióntípica de resistividad desuelo como un grado de la agresividado corrosividad potencial esarbitrario, como se muestra en laTabla 2.Las tablas 1 y 2 pueden serutilizadas como un indicador,pero se necesita entender quéotros factores están involucradosen la clasificación de corrosividadde suelos. Cuando un ducto atraviesasuelos con varias resistividadesse desarrollan celdas de corrosiónentre las áreas de baja yalta resistividad. Secciones deducto localizados en áreas de bajaresistividad se hacen anódicas respectoa áreas de ducto en áreasde alta resistividad. La magnitudde las variaciones en resistividades tan importante como el valorabsoluto de las resistividades.Las mediciones de las propiedadesde suelo a lo largo de losDDV de la margen izquierda delrío Tonalá a Anillo Pajaritos se presentanen la Tabla 3.En las figuras 1 y 2 se presentanlos resultados obtenidos depotencial Redox y de la resistividadde suelo, respectivamente. LaFigura 1 presenta los valores depotencial Redox en función de ladistancia, obtenidos en diferentespuntos a lo largo del trayecto entreTonalá y Pajaritos. Se puedeobservar que los valores obtenidospresentan una tendencia a aumentarsu valor de potencial Redox amedida que nos acercamos a lazona de Pajaritos. En la gráficaestán indicadas las fronteras de clasificaciónde agresividad en funciónde los valores Redox. A medidaque se van acercando a laszonas urbanas o industriales, laagresividad potencial del suelo se

Aplicaciones tecnológicas21Tabla 2. Corrosividad del suelo enfunción de su resistividad.Corrosividaddel suelohace menor pasando de ser “muycorrosivo” hasta “nula corrosividad”.Además, los valores por debajode 0 mV son indicativos deque pueden sostener actividadbacteriana potencialmente corrosiva.La Figura 2 presenta los valoresde resistividad, en función dela distancia, obtenidos en diferentespuntos a lo largo del trayectoentre Tonalá y Pajaritos. Se puedeobservar que los valores obtenidos,a diferencia de los valoresde potencial Redox, no presentanuna tendencia y se encuentran dispersosa lo largo de la trayectoria.En la gráfica nuevamente estánindicadas las fronteras de clasificaciónde agresividad en función dela resistividad del suelo, presentándosevalores en los rangos de “muycorrosivo a poco corrosivo”.RectificadoresResistividad delsuelo Ohm-cmMuy corrosivo < 1000Corrosivo 1,000 – 10,000Poco Corrosivo 10,000 – 100,000Nulo > 100,000Esta sección presenta losparámetros obtenidos en los rectificadoresde los sistemas de proteccióncatódica de los corredoresde ductos, pertenecientes alos DDV entre Tonalá y Pajaritos.En las figuras 3 y 4 se presentangráficas de barras de lasresistencias de circuito y de la eficienciarespectivamente.La eficiencia es un parámetroimportante y se requiere tenerdatos históricos para graficar laeficiencia en función del tiempo,que permitiría evaluar su desempeñoy su degradación en funcióndel tiempo. Como regla general,Tabla 3. Propiedades de suelos para el tramo Tonalá-Pajaritos.Distancia Resistividad AC Redox ObservacionesMedida Ohm cm183+715 0.5 471 5 mV aprox Tonalá187+616 1.5 1,413 600 mV Est 2189+000 -247 Calomel189+500 -228194+000 24 22,608 600 mV El Garceño194+800 1 942 La Quebrada195+000 1.6 1,507 -28 Entre Quebraday Matamoros197+000 9.5 8,949 Matamoros (corredores2.5,10,11.5, 14)202+800 -28203+300 -25205+500 -26205+500 -21 Venados207+500 0.46 433 40 mV Palomas210+400 1.8 1,696 280 Nudo Teapa3+000 34.2 CAC La Verónica4+300 28.1 CAC Cangrejera7+150 6.5 6,123 252 Pajaritos8+000 13 12,246 Anillo Pajaritoscuando la eficiencia a caído un 25% de su valor original (a carga comparable),el embobinado debe ser revisado o sustituido.Nivel de protección catódicaToda estructura metálica enterrada en un suelo presenta un potencialelectroquímico en su superficie exterior. Este potencial puede ser medido,utilizando un voltímetro con un electrodo de referencia en una de suspuntas. Una medición precisa e ideal consistiría en acercar el electrodo dereferencia al ducto.La medición de potenciales estructura-suelo en postes de mediciónfue utilizada como método de evaluación del nivel de protección de losductos, junto con el criterio de protección aceptado (Cathodic ProtectionMonitoring for Buried Pipelines, 1988; Measurement Techniques Relatedto Criteria for Cathodic on Undergruond or Submerged Metallic PipingSystems, 1997) de 850 mV negativos. El efecto de la caída de potencial enuna medición de potencial ducto-electrolito puede ser determinado mediantela interrupción de las fuentes de corriente existentes y haciendo lamedición de potencial, como se muestra en la Figura 5. Esta medición sedenomina Potencial de apagado instantáneo (instant off potential) o Potencialen condición de apagado instantáneo.La medición de potenciales estructura-suelo se obtuvo a partir de lospostes de medición a lo largo de los ductos considerados. Para aquellassecciones en puntos intermedios entre dos rectificadores o más rectificadores,se toma en cuenta la influencia de ambos al realizar la medicionescon el analizador de forma de señales.En este contexto, se considerarán los términos de la Tabla 4 para definirel nivel de protección de acuerdo al potencial estructura-suelo (Corr,1982; Genesca y Ávila, 1990).

Boletín IIE, enero-marzo del 200322Figura 1. Potencial Redox en el tramo Tonalá-Pajaritos.Figura 2. Resistividad de suelos en el tramoTonalá-Pajaritos.Potencial Redox, mV vs Cu/CuSO 4Resistividad, Ohm cmFigura 3. Eficiencia de rectificadores en el tramo Tonalá-Pajaritos.Figura 5. Relación de potencialencendido y apagado.EficienciaResistencia del circuitoFigura 4. Resistencia del circuito de los rectificadores en el tramoTonalá-Pajaritos.Valores discretos o intervalos de valores de potencial menos negativosque no causarán fragilización por hidrógeno y agrietamiento sonraramente publicados en la literatura, la razón de ello es que un potencialseguro dependería de la metalurgia del metal, la naturaleza del medioy el tiempo (Cathodic Protection Monitoring for Buried Pipelines,1988). Potenciales muy negativos pueden producir degradación del recubrimientopor ampollamientopor hidrógeno o degradaciónalcalina (delaminación catódica),en donde los recubrimientos sonusados en forma conjunta con laprotección catódica. Los valoresde rompimientos son reportadosen la literatura y a menudo estánbasados en pruebas de laboratoriocon muestras de acerocon recubrimientos enelectrolitos acuosos (del tipo deagua de mar sintética) (CathodicProtection Monitoring forBuried Pipelines, 1988).La anterior clasificación, descritaen la Tabla 4, divide los intervalosde protección y subprotecciónen segmentos reducidosy lleva a mayores exigencias y garantíasde protección. Alternativamente,se puede recurrir a lanormatividad nacional (NormaOficial Mexicana, 1999) en la quese propone un intervalo más am-

Aplicaciones tecnológicas23plio para la región de protección,como se indica en la Tabla 5.El criterio utilizado en la Tabla5 es el mismo que se utilizó enlas secciones subsecuentes de esteestudio.La Figura 6 muestra los potencialespromedio estructura-sueloen los DDV entre Tonalá y NudoTeapa. Los valores obtenidos depotenciales encendido-apagado seencuentran en la zona de protección,sin entrar en la zona de sobreprotección,con excepción deltramo entre Garceño y Matamorosconocido como La Quebrada.Ahí, se abaten los potenciales, saliéndosede la zona de protección.No se encontraron interferenciasde otros ductos.Finalmente, la Tabla 6 presentael diagrama del arreglo deánodos de sacrificio y las tablas devalores de potencial obtenidos alo largo del recorrido del AnilloPajaritos. Se puede observar que,a partir del poste denominado 14,varios potenciales obtenidos estánen el nivel de protección parcial obien el potencial de protección quese mide indica protección total,pero entre puntos intermedios sesale de este nivel (por ejemplo: 15,16 y 17). El potencial medido es eldel ánodo.Esto indica la necesidad de unamayor cantidad de ánodos o bienel reemplazo de los existentes pordesgaste, adelante del poste 14.Casos particularesPruebas de conductividadentre DDVConsiderando las trayectorias,con el mismo origen-destino, quepresentan los cuatro DDV en elintervalo Tonalá–Nudo Teapa,resulta importante determinar siéstos son sistemas eléctricamenteindependientes o si bien son todosparte de un solo sistema(Control of Pipeline Corrosion,Tabla 4. Clasificación de niveles de protección catódica.Término Intervalo de DescripciónpotencialCorrosión libre > –750 mV La pared del ducto sufre corrosiónde acuerdo a la agresividad delsuelo con el que está en contacto.No hay protección catódica.Protección parcial –750 a –850 mV El ducto, aun cuando recibe corrientede la protección catódica,no alcanza a ser protegido por entero.Protección total –850 a –950 mV El metal está protegido catódicamentecontra la corrosión.Sobreprotección –950 a –1050 mV El ducto no sufre corrosión, peropequeñapuede sufrir daño leve en el recubrimiento.Sobreprotección < –1050 mV El ducto no sufre corrosión, peropuede sufrir fragilización por hidrógenoy desprendimiento del recubrimiento.Tabla 5. Clasificación de niveles de protección catódica basadoen la norma mexicana.Término Intervalo de DescripciónpotencialCorrosión > –750 mV La pared del ducto sufre corrosión deacuerdo a la agresividad del suelo conel que está en contacto. No hay proteccióncatódica.Protección –750 a –850 mV El ducto, aun cuando recibe corrienteparcialde la protección catódica, no alcanza aser protegido por entero.Protección –850 a –1100 mV El metal está protegido catódicamentecontra la corrosión.Sobrepro- < –1100 mV El ducto no sufre corrosión, pero puetecciónde sufrir fragilización por hidrógeno ydaño al recubrimiento.1976). Esto tiene relevancia a la luz de la cercanía relativa entre los mencionadosDDV, ya que si estos fueran sistemas independientes se tendríaque considerar la posibilidad de interferencia entre ellos, lo que podríaconducir a considerar la factibilidad del fenómeno de corrosión porinterferencias o corrientes parásitas. Por otro lado, si son parte de un solosistema no hay interferencias, pero si existe la condición donde un determinadosistema de impresión de corriente tiene una considerable áreapor proteger, representado por el total de los ductos del corredor. Auncuando hay una cercanía relativa entre los DDV, el DDV 23 tiene mayoralejamiento respecto a los otros a lo largo de los tramos bajo estudio. Sinembargo, en pocos sitios se tienen postes suficientemente cercanos entrelos DDV para hacer mediciones de conductividad eléctrica entre éstos.

Boletín IIE, enero-marzo del 200324Figura 6. Potenciales promedio estructura-suelo en el derechode vía 23. Sección Tonalá- Nudo Teapa.Potencial E/S, mV vs Cu/CuSO 4Figura 7. Representación esquemática de las mediciones deresistividad entre postes de diferentes DDV (unión con cable) yresistividad del suelo en km 194+600.DDV 24 DDV 25 DDV 26Considerando las trayectorias delos ductos, se seleccionó el kilómetro197+000, en donde seubica la estación Matamoros,como un sitio en donde los postesde los derechos están cercanosentre sí, facilitando medicionesde continuidad.Los resultados obtenidospara ductos de un mismo DDVson menores a 100 ohm y sonvalores característicos de la resistividaden un conductor metálico,lo que corresponde a la condiciónde conexión entre ductos.Por otro lado, los valores de resistividadentre DDV son del mismoorden de magnitud a los encontradosentre ductos.Adicionalmente, el kilómetro194+600 es un sitio en dondelos postes aéreos de los derechosestán muy cercanos entre sí, facilitandola medición de continuidad.Los resultados de la Figura 7muestran nuevamente la bajaconductividad que se obtiene al conectarentre sí los postes de los diferentesDDV. Estos valores bajosde resistividad son atribuiblesTabla 6. Potenciales estructura suelo para ductos en el Anillo Pajaritos.(a) ductos enterrados-aéreosNúmero Gas 20 baja pres.Paraxileno 4 Gas 20 Poliducto 81 -1172 -1201 -1219 -1202 Postes de salida (0+020, 0+048, 0+021, +0+049)2 -879 -873 -873 -866 Punto intermedio entre postes8 -1036 -1184 -1200 -1200 Postes (0+0670, 0+096, 0+068, +0+099)9 -801 -792 -797 -817 Punto intermedio entre postes11 -920 -932 -932 -929 Postes (0+150, 0+170, 0+151,)(b) ductos enterradosNúm. Gasoducto 10 Desfogue 8 Etano 63 -735 (0+042,)4 -762 Punto intermedio5 -992 -1036 Postes de salida7 -916 -9366 -1062 -100310 -915 -932 Punto intermedio12 -1098 -1086 -1086 En postes13 -841 -860 -87314 -861 -897 -88615 -956 Poste común16 -798 -795 -771 Punto intermedio entre 15 y 17 a 4 m17 -809 -840 -1078 Etano 6, potencial de protección muy localizado -76419 -647 -627 20 m atrás de 18, en foso18 -767 -738 -728 Postes de la esquina

Aplicaciones tecnológicas25a las propiedades de los ductos como conductores metálicos,y en contraste con la conductividad entre lospostes a través del suelo que es de 23 Kohms, es decir,aproximadamente 100 veces mayor. Por lo tanto, latrayectoria eléctrica menos resistiva entre ductos de diferentesDDV es a través de ellos mismos. De aquí sepuede inferir que los ductos considerados en este estudiopueden asumirse como parte de un solo sistemaeléctrico para propósito del análisis de interferencias yconsumos de corriente.Conclusiones generales• La agresividad del terreno en los DDV evaluadosse clasifican como corrosiva o muy corrosiva.• El terreno es susceptible de sostener corrosiónbacteriana.• Por las características del terreno, un ducto sin ocon insuficiente protección catódica es susceptiblede corrosión.• Entre Tonalá y Nudo Teapa, los ductos del DDV23 presentan buenos potenciales de encendido-apagadoen la zona de protección; con excepción de lasección Garceño-Aguacate donde los potenciales seubican fuera de la zona de protección o bien no secuenta con información.• El Anillo Pajaritos presenta potenciales de protecciónhasta el poste 14 de medición, y de esepunto en adelante los potenciales requieren cambiode ánodos para alcanzar el nivel de proteccióntotal.• No se encontraron evidencias de interferencia de otrasestructuras metálicas con los ductos protegidos catódicamentey que son la base de este estudio.ReferenciasGenescá, J.y J. Ávila. Más Allá de la Herrumbre- ProtecciónCatódica, SEP Conacyt, 1990.National Association of Corrosion Engineers. CathodicProtection Monitoring for Buried Pipelines, Item No.24169, Publication No. 54276, 1988, Houston, EUA.National Association of Corrosion Engineers.Measurement Techniques Related to Criteria for CathodicProtection on Underground or Submerged Metallic PipingSystems. Standard TM0497-97, Item No. 21231, 1997,Houston, EUA.National Association of Corrosion Engineers y S. T. Corr. I.Cathodic Protection Theory and Practice- The Present Status.28-30 Abril, Coventry, Inglaterra, 1982.Norma Oficial Mexicana NOM-008-SECRE-1999. Controlde la Corrosión Externa en Tuberías de Acero Enterradasy/o Sumergidas.Peabody, A. W. Control of Pipeline Corrosion. CorrosiónExterna en Tuberías de Acero Enterradas y/o Sumergidas.NACE, 1976, p 83.Romanoff, M. Underground Corrosion. NBS Circular 579,1957, p.64.Robinson, W. C. Testing Soil Corrosiveness. MaterialsPerformance, No. 4, 1993.Tatnall, R. E. y E. Stanton. Methods of Testing for thePresence of Sulfate Reducing Bacteria. NACE, Corrosion,paper No. 88, Houston, TX, 1988.Miguel Ángel González NúñezIngeniero metalúrgico por la Escuela Superior de IngenieríaQuímica e Industrias Extractivas (ESIQIE) del InstitutoPolitécnico Nacional (IPN). Maestro en Ciencias conespecialidad en Corrosión y doctor en Filosofía con lamisma especialidad por el Corrosion and Protection Centrede la University of Manchester Institute of Scienceand Technology (UMIST). Ha participado en diversas publicacionesde Memorias de Congresos y Simposios ytiene también publicaciones en revistas arbitradas internacionales.magn@iie.org.mxJosé María Malo TamayoVer curículum en la página 18.Ramón Muñoz Ledo CarranzaIngeniero y maestro en Metalurgia por el Instituto PolitécnicoNacional (IPN). Doctor en Ciencia Químicas porla Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM).Es investigador del IIE desde 1982 y ha sido profesor dela Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM).Coordinó el desarrollo de los inventarios de Gasescon Efecto Invernadero (GEI) en 1990 y 1991. Asimismo,participó en los inventarios de 1988 a 1995 realizandolos cálculos de GEI por consumo de energía. En estemismo tema ha participado en diversos estudios-país,talleres y congresos internacionales, apoyado por laSEDUE, la ONU, la EPA y el IFC.rml@iie.org.mxJorge Uruchurtu ChavarínVer currículum en la página 18.Rafael Castrejón GarcíaFísico por la Facultad de Ciencias de la UniversidadNacional Autónoma de México (UNAM) y maestro enFísica por la misma institución. Ingresó al IIE en 1980donde ha dirigido y colaborado en 25 proyectos de investigación.Su área de especialidad es la óptica experimental.rcg@iie.org.mx