Ánodo Galvánico. Diseño de Sistemas de Protección Catódica. Los fragmentos del siguiente texto fueron extraídos de los Apalaches Underground

corrosión Curso Corto, "Curso avanzado de corrosión" que fue editado y revisado para que sea aplicable a este curso

Por James B. Bushman, educación física Los Ánodos Galvánicos son un medio importante y útil para la protección catódica de tanques subterráneos para el almacenamiento de los sistemas, tuberías y otras estructuras metálicas enterradas o sumergidas. La aplicación de la protección catódica utilizando ánodos galvánicos no es más que la creación intencional de una célula galvánica electroquímica en la que dos metales diferentes se conectan eléctricamente mientras se sumerge en un electrolito común, conductor de la electricidad. En un "metal distinto" de células, el metal más alto en la serie electromotriz (más "activo" o de más potencial) se vuelve anódico al metal menos activo y se consume durante la reacción electroquímica. El metal menos activo recibe un cierto grado de protección catódica en su superficie debido a la corriente que llega desde el metal anódico. El diseño de un sistema de protección catódica galvánica implica la consideración de todos los factores que afectan a la selección adecuada de un material de ánodo adecuado y sus dimensiones físicas, la colocación, y el método de instalación.

VENTAJAS Y LIMITACIONES

Hay varias ventajas importantes para el uso de ánodos galvánicos: • No se requiere fuente de alimentación - Debido al hecho de que la corriente de protección se genera por la reacción electroquímica entre los metales, sin alimentación externa de energía se requiere. • El costo de instalación y mantenimiento se reduce - Normalmente, los ánodos galvánicos tienen la ventaja de no requerir más derecho de vía de la compra ya que los ánodos se instala por lo general cerca de la estructura protegida. Una vez instalado, muy poco mantenimiento es necesario para la vida del ánodo. El ánodo de un sistema de ánodo galvánico no está sujeta al mismo grado de mal funcionamiento eléctrico o mecánico como la de un sistema de corriente impresa. • Eficiente y no interferir-- El relativamente

bajo, y normalmente bien distribuidas, corriente de salida del sistema galvánico puede dar lugar a una densidad de corriente más constante en la estructura protegida. Esto reduce al mínimo a través de la protección y la pérdida de corriente. La salida de corriente bajo, se reduce la posibilidad de interferencia a un mínimo. Las ventajas mencionadas permiten que el sistema de protección catódica galvánica para ser utilizado de manera eficiente en una variedad de aplicaciones, tales como:

a. Para bien recubiertos de tanques de almacenamiento subterráneos y tuberías.

b. En las zonas rurales y en alta mar, donde el poder no se encuentra disponible.

c. Para una protección adicional, como en los pasos de canalización.

d. En zonas aisladas corrosivos ("hot spots")

e. En muy congestionadas zonas urbanas, donde la distribución actual y los problemas de interferencia presentes.

f. En las estructuras eléctricamente discontinuos.

g. Bueno en tuberías revestidas.

Sin embargo, el sistema de ánodo galvánico no carece de limitaciones. La diferencia en el potencial del ánodo y el cátodo (estructura protegida) que hace que el flujo de corriente protectora es normalmente bastante pequeña. La pequeña diferencia de potencial, o "potencial de conducción", da lugar a salidas de corriente muy limitadas, especialmente en las zonas altas del suelo de resistividad. Este hecho limita el

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Por James B. Bushman, educación física uso económico de los equipos de galvanizado en:

• Las grandes estructuras

• Estructuras de mal recubiertos.

MATERIALES DISPONIBLES PARA EL DISEÑO DEL ÁNODO GALVANICO

Los materiales más comúnmente utilizados para ánodos galvánicos en estructuras enterradas son aleaciones de magnesio y zinc.

Cuando la aleación de ánodo se coloca en el electrolito para la protección de una estructura, una cierta cantidad de la corriente se genera debido a la auto-corrosión del ánodo. La eficiencia de corriente es una medida de la corriente efectiva disponible para la protección catódica de la estructura primaria expresada como un porcentaje de la corriente total generada. Debido a que la velocidad de corrosión del ánodo es directamente proporcional a la salida de corriente suministrada, la eficiencia es una consideración importante en la selección de material de ánodo. Cuanto mayor sea la eficiencia es más la energía utilizable por libra de material adquirido.

Características H-1 Alloy (AZ-63)

Mag.Alloy

Hi-potential Mag.Alloy

Hi-Purity Zinc

Solution potential to Cu-CuSO4 ref. cell

-1.55 -1.80 -1.10

Faradaic Rata de

consumo 8.8 8.8 23.5

Current efficiency (%)

25-50 50 90+

Actual amps-hrs/lb

250-500 500 360

Actual Lb/amp/year

35-17.5 17.5 26.0

La eficacia depende de la aleación, por lo tanto, es importante que una vez que la aleación apropiada ha sido seleccionado,

el material adquirido cumple con las especificaciones de aleación. Las siguientes dos tablas se enumeran algunas especificaciones de aleación típicas de uso común.

Los siguientes elementos, más comúnmente presentes en magnesio, afectar a la eficiencia de los ánodos de magnesio utilizado para la protección catódica en suelos:

• Aluminio - Efectos significativos fuera de los rangos mostrados

• Manganeso - Controles en cierta medida el impacto negativo de hierro que rodea las partículas de hierro en fundición solidificación

• Níquel - En detrimento de la eficiencia

• Cobre - En detrimento de la eficiencia

Plancha • - perjudicial para la eficiencia, pero se puede controlar hasta cierto punto por las grandes cantidades de manganeso

• Silicio - Perjudicial por encima de 0,1 por ciento

• Zinc - Sólo un poco perjudicial en cantidades más altas

• (plomo, berilio estaño) Otros - impurezas menores que no afectan significativamente a la eficiencia del ánodo en cantidades que se encuentran, pero puede ser perjudicial por encima de estos límites

Las dos tablas siguientes proporcionan elementos estándar de la industria de aleación de magnesio y ánodos de zinc comúnmente usado en aplicaciones de protección catódica. La desviación de estas especificaciones de aleación puede resultar en ánodos que sufren de pacificación, el deterioro y la corrosión intergranular tasas de consumo excesivo.

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corrosión Curso Corto, "Curso avanzado de corrosión" que fue editado y revisado para que sea aplicable a este curso

Por James B. Bushman, educación física Especificaciones comunes de aleación - Magnesium

Elemento Hi-Pot.

Mg (%)

Grade “A”

Mg (%)

Grade “B”

Mg (%)

Grade “C”

Mg (%)

Al 0.010 max

5.0 – 7.0

5.3 – 6.7

5.3 – 6.7

Mn 0.50 -1.30

0.15 min

0.15 min

0.15 min

Zn 0 2.5 – 3.5

2.5 – 3.5

2.0 – 4.0

Si 0 0.10% max

0.30% max

0.10% max

Cu 0.02 0.02 0.05 0.10

Ni 0.001 0.002 0.003 0.003

Fe 0.03 0.003 0.003 0.003

Other

0.05% each 0r 0.03% max tot.

0.30% max

0.30% max

0.30% max

Mg Balanc

e Balance Balance Balance

Especificaciones comunes de aleación – Zinc

Elemento

Hi-Amp Zinc (Mil-A 18001) for Seawater

Use Only (Percent %)

Hi-Purity Zinc (ASTM B418-67

Type II) Primarily for Underground Use Percent (%)

Al 0.1-0.3 0.005 max

Cd 0.025 -0.06 0.003 max

Fe 0.005 max 0.0014 max

Pb 0.003 max 0.003 max

Zn Remainder Remainder

FORMAS, TAMAÑOS Y RELLENO

Los Ánodos Galvánicos se ofrecen en una amplia variedad de formas y tamaños estándar y también se pueden pedir en tamaños personalizados.

El uso de un relleno ánodo preparado cumple los siguientes efectos:

• Estabiliza el potencial del ánodo

• Evita la polarización del ánodo, la mejora actual de mantenimiento

• Reduce el ánodo a la resistencia de tierra, el aumento de la corriente de salida

• Reduce auto-corrosión del ánodo mediante la promoción de un ataque de corrosión uniforme, mejorando así la eficiencia

La mezcla más comúnmente utilizado para el relleno del ánodo es 75 por ciento de yeso, 20 por ciento de arcilla bentonita y 5 por ciento de sulfato de sodio. Esta mezcla se selecciona porque, sobre la amplia gama de suelos que puedan presentarse, se ha mostrado el mejor éxito en la consecución de los chrecteristics un deseados. Debido a la solubilidad de los componentes de relleno, el relleno tiende a "condición" en el suelo adyacente a varios pies.

SELECCIÓN DEL ÁNODO

Después de considerar los materiales disponibles, se debe hacer una selección adecuada. El criterio de selección es, como era de esperar, el análisis de rentabilidad con respecto a los costos. El rendimiento de un ánodo se mide por los siguientes criterios: • La vida útil del ánodo - La vida es una función de tres factores: el peso, la corriente de salida y eficiencia. Una vida más larga se consigue a través de mayor peso, menor corriente de salida y alta eficiencia. • Salida de corriente - Salida de corriente se rige por electrolito resistividad, la resistencia ánodo al electrolito y el potencial de aleación. Salida de corriente más alta se logra mediante la reducción de la resistividad, menor resistencia al electrolito y un mayor potencial de aleación. El coste involucrado en la instalación y el funcionamiento de ánodos galvánicos se pueden clasificar como sigue: • Costo de Materiales - Esto se basa en la aleación, el relleno y el tamaño del ánodo. Generalmente, cuanto más pesado el ánodo, menor es el coste por libra de

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Ea Raf Rcp Rpg Rcg Rcf Ec

material. Más eficientes resultados ánodo materiales en un menor costo por hora amperio de corriente suministrada. • Costos- El costo de instalación no sería de esperar que varían considerablemente en base a la aleación del ánodo independientemente al tamaño del ánodo seleccionado. Por lo tanto, la consideración de los costes de instalación normalmente consiste en una investigación de la serie de ánodos requeridos. • Costos de mantenimiento: el costo de mantenimiento normalmente sólo implica la comprobación periódica del sistema de protección catódica, que no se vea sustancialmente afectada por el tipo del ánodo seleccionado. Este costo es generalmente descuidado en el proceso de selección. CONSIDERACIONES DEL PRE-DISEÑO

La principal consideración en el diseño del sistema galvánico es la distribución eficiente de la corriente suficiente para conseguir la protección catódica. Debido a la limitada gama de voltaje disponible el problema de lograr que la corriente deseada se convierte en una de la regulación de la resistencia del circuito eléctrico. El más importante (y menos controlable) factor que afecta la resistencia del circuito de los sistemas subterráneos de protección catódica galvánica es la resistividad del terreno. Para una estructura pequeña, tal como un tanque aislado, muy bien recubierto enterrado, a menudo es más económico en lugar de sobrediseño imperativo que las pruebas se realizaron para una estructura de depósito de mal recubierto. El número de puntos de prueba para ser considerado variará de estructura en estructura y dependerá de la variación de las mediciones de resistividad y las características físicas de la estructura. Áreas de resistividad uniforme predominantemente se requieren

mediciones menos frecuentes que en las zonas de diferente resistividad. Si la estructura del tanque para el que está destinado el diseño de ánodo galvánico existe, prueba de requisito actual se debe realizar con el fin de determinar con más precisión la cantidad real de corriente requerida. Las pruebas actuales se puede realizar utilizando temporal "lecho de tierra" de una o más varillas metálicas impulsadas por energía de un rectificador o batería de almacenamiento. La cama baja temporal se activa y su efecto sobre la estructura mide. Utilizando las técnicas de medición, la corriente de salida se ajusta hasta que el criterio seleccionado para la protección se logra con la menor cantidad de corriente. Uno o más lechos de tierra tales temporales puede ser requerido para analizar secciones de la estructura, especialmente si las características físicas de la estructura pueden variar significativamente. Hay que recordar que la resistencia a tierra de las barras impulsados es probable que sea mucho más alto que los ánodos permanentes enterrados, por lo tanto, la tensión de accionamiento requerida en la prueba no es indicativo del requisito de conducción de voltaje real.

CÁLCULOS DE DISEÑO

El circuito eléctrico que regula la corriente de salida de un ánodo galvánico se representa en la siguiente figura.

Componentes del ánodo galvánico en un circuito eléctrico

Estructura

protegida

Nivel del suelo Rw

Relleno del ánodo que

contiene 75% de yeso,

25% de bentonita, y 5%

Sulfato de Sodio

Lingote del ánodo galvánico

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corrosión Curso Corto, "Curso avanzado de corrosión" que fue editado y revisado para que sea aplicable a este curso

Por James B. Bushman, educación física Donde: Ea = potencial de ánodo Ec = potencial de cátodo Ia = corriente del ánodo Raf ánodo = película de resistencia Rap = relleno resistencia Rcf = cátodo resistencia de la película Rcg cátodo = resistencia a la tierra Rpg = relleno de resistencia de tierra Rw = resistencia del cable de conexión Rcf es generalmente despreciable en valor, en comparación con los otros componentes resistivos, mientras que Raf y Rap son constantes para un determinado ánodo en un material de relleno dada. Rcg, la resistencia de cátodo-a-electrolito, es muy dependiente de la calidad de la estructura de revestimiento, siendo casi insignificante para las estructuras desnudas. Por lo tanto, Rpg, Rcg y Rw son los componentes importantes y variables que deben ser consideradas. Rtav, la resistencia total de un ánodo instalado verticalmente en el electrolito se puede aproximar por la Ecuación de H.B. Dwight:

Rtav=

p (

)

Donde: Rtav = Resistencia del ánodo vertical, en forma de varilla p = resistividad del electrolito, L = longitud de la barra del ánodo d = diámetro del ánodo envasado Una vez que la resistencia del ánodo total se ha calculado, la corriente de salida del ánodo se puede calcular de acuerdo con la Ley de Ohm:

IA= EA-EP/RAf + RAP + RPG + RCF + RW = amperes

Desde Raf + Rap + Rpg es igual a Rtav calculado anteriormente y desde Rcg + Ref + Rw se considera generalmente ser relativamente pequeño en comparación con Rtav, la fórmula anterior se reduce a menudo a la forma simplificada siguiente:

IA= EA-EP / RTAV

Esta expresión teórica normalmente se traducirá en un valor conservador de corriente para los ánodos de relleno que se instalan en el suelo. Además, se requiere mucho tiempo para calcular los factores de resistencia distintos, y cierta frecuencia. Hay que hacer hipótesis que dan como resultado un cálculo de la corriente aproximada. La salida de magnesio y ánodos de zinc se encuentra bien documentado en diversas condiciones, y muchos gráficos, diagramas y tablas han sido preparados con base en los resultados reales. Estas referencias proporcionan una determinación simplificada y razonablemente precisa de la producción del ánodo en las condiciones que se encuentran normalmente en el diseño de sistemas de protección catódica de tuberías, depósitos enterrados, etc Una de las referencias ampliamente utilizado ha sido preparado por DA Tefankjian. Se desarrolló un conjunto de ecuaciones para la salida de un ánodo a un potencial estructura polarizada de -0,85 voltios frente a un electrodo de Cu-CuSO4 referencias.

Traducido por:

Ing. MSc. David Ugarte

Outsourcer-Marketer. Diprocave

0414-6248816