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Halaman
Hukum
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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALESCOORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
DISEÑO DEL SPC DE LOS TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE
COMBUSTIBLE Y DEL SPT DE LA PJBA
Por:
Christian Eduardo Bande De León
INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título deIngeniero Electricista
Sartenejas, Noviembre de 2010
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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALESCOORDINACIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
DISEÑO DEL SPC DE LOS TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE
COMBUSTIBLE Y DEL SPT DE LA PJBA
Por:
Christian Eduardo Bande De León
INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título deIngeniero Electricista
Sartenejas, Noviembre de 2010
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DISEÑO DEL SPC DE LOS TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE
COMBUSTIBLE Y DEL SPT DE LA PJBA
REALIZADO POR:
CHRISTIAN EDUARDO BANDE DE LEÓN
RESUMEN
En este informe se presenta el diseño del Sistema de Protección Catódica de tres tanques de
almacenamiento de combustible y del Sistema de Puesta a Tierra del Complejo Generador Planta
Juan Bautista Arismendi; ambos sistemas son necesarios para el correcto funcionamiento de la
Planta; la Protección Catódica tiene como objetivo prolongar la vida útil de los tanques de
almacenamiento de combustible, que cumplen una función importante en el proceso de
generación de electricidad en la Planta, mientras que el Sistema de Puesta a Tierra tiene como
finalidad asegurar la integridad de las personas y los equipos presentes en el área de la Planta. En
ambos casos se empezará por un resumen del marco teórico básico necesario para la comprensión
de los temas tratado, seguido por una revisión de las normativas nacionales e internacionales
correspondientes a ambos temarios, posteriormente se desarrollará las metodologías planteadas
para el diseño de los sistemas, se realizará el diseño de los sistemas tomando en cuenta las
particularidades del lugar donde se implementarán presentando los resultados obtenidos durante el
desarrollo y, finalmente, se presentaran los resultados obtenidos durante el desarrollo y
cumplimiento de las pasantías observando que los sistemas diseñados cumplen con los criterios
presentados a lo largo del informe.
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NDICE
ÍNDICE DE FIGURAS ix
ÍNDICE DE TABLAS xi
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS xii
CAPÍTULO 1 1
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS DEL TRABAJO 1
1.1 INTRODUCCIÓN 1
1.2 OBJETIVO GENERAL 2
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2
1.4 METODOLOGÍA 3
CAPÍTULO 2 4
DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA 4
2.1 MISIÓN 5
2.2 VISIÓN 5
CAPÍTULO 3 7
PRINCIPIOS DE PROTECCIÓN CATÓDICA 7
3.1 DEFINICIÓN DE CORROSIÓN 7
3.2 CORROSIÓN EN MATERIALES FERROSOS 8
3.3 MÉTODOS DE PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN 10
CAPÍTULO 4 20
MARCO NORMATIVO SOBRE PROTECCIÓN CATÓDICA 20
4.1 DETERMINACIÓN DE LA NECESIDAD DE PROTECCIÓN CATÓDICA
EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO 20
4.2 CRITERIOS DE PROTECCIÓN 22
4.3 DENSIDAD DE CORRIENTE REQUERIDA 24
4.4 CRITERIO UTILIZADO EN EL PROYECTO 25
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vi
CAPÍTULO 5 27
METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA 27
CAPÍTULO 6 32
DISEÑO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA 326.1 DISEÑO DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA DE LOS TANQUES DE
COMBUSTIBLE
32
6.2 PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN EN LA MALLA DE TIERRA 37
6.3 CONCLUSIONES 39
CAPÍTULO 7 40
MARCO TEÓRICO SOBRE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 40
7.1 GENERALIDADES 40
7.2 SELECCIÓN DE LOS CONDUCTORES 41
7.3 POTENCIALES TRANSFERIDOS 42
7.4 PUESTA A TIERRA DE PLANTAS DE GENERACIÓN 43
CAPÍTULO 8 45
NORMATIVA SOBRE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 45
8.1 PASO DE CORRIENTES POR EL CUERPO HUMANO 468.2 TENSIONES DE TOQUE Y PASO MÁXIMAS PERMISIBLES 46
8.3 EFECTOS DE LA NO HOMOGENEIDAD DE LA TIERRA 49
8.4 PUESTA A TIERRA DE TANQUES 51
8.5 PUESTA A TIERRA EN INSTALACIONES DE BAJA TENSIÓN 52
8.6 CRITERIO DE DISEÑO UTILIZADO EN EL PROYECTO 54
CAPÍTULO 9 55
METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA 55
9.1 DIMENSIONAMIENTO DE LOS CONDUCTORES 55
9.2 DISEÑO PRELIMINAR Y REDISEÑO DE LA MALLA DE PUESTA A
TIERRA 57
9.3 CORRIENTES MANEJADAS POR EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA 58
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vii
9.4 CORRIENTES DE FALLA 59
9.5 FACTOR DE ASIMETRÍA 59
9.6 FACTOR DE DIVISIÓN DE CORRIENTE 62
9.7 ANÁLISIS DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA 63
CAPÍTULO 10 65
DISEÑO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA 65
10.1 RESISTIVIDAD MEDIDA EN LA PJBA 66
10.2 DISEÑO PRELIMINAR DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA 68
10.3 ANÁLISIS DE LA RED DE TIERRA 69
10.4 CONEXIONES PARTICULARES 70
10.5 CONCLUSIONES 74
CONCLUSIONES 76
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 78
ANEXO 1 81
SERIE ELECTROQUÍMICA DE LOS METALES 81
ANEXO 2 82
CÁLCULO DE LAS IMPEDANCIAS DE TIERRA DE LOS CABLES DEGUARDA 82
ANEXO 3 87
TÉRMINOS BÁSICOS RELACIONADOS 87
ANEXO 4 90
MATERIALES A UTILIZAR PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL
PROYECTO 90
A4.1 PROTECCIÓN CATÓDICA 90
A4.2MALLA DE TIERRA 91
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viii
ANEXO 5 92
PLANO DE PROTECCIÓN CATÓDICA 93
ANEXO 6 94
PLANO DE UBICACIÓN GENERAL DE EQUIPOS 95
ANEXO 7 96
PLANO DE SISTEMA DE PUESTA A TIERRA 97
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ix
NDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Estructura organizativa de INELMECA 5
Figura 2.2 Ubicación de las oficinas de INELMECA 6
Figura 3.1 Curva de polarización para materiales pasivables 12
Figura 3.2 Esquema de protección anódica 13
Figura 3.3 Mecanismo de protección catódica con ánodo de sacrificio 16
Figura 3.4 Esquema de protección catódica con corriente impresa de una tubería 19
Figura 5.1 Procedimiento para el diseño de la protección catódica 28
Figura 5.2 Circuito equivalente del sistema de protección catódica 31
Figura 6.1 Diagrama esquemático de la protección catódica 32
Figura 8.1 Potenciales de contacto, de paso y transferidos en torno a una barra de
tierra
45
Figura 8.2 Circuito de impedancias de toque 47
Figura 8.3 Exposición a tensión de paso 47
Figura 8.4 Circuito de tensión de paso 48
Figura 9.1 Metodología para el diseño de la malla de tierra 56
Figura 9.2 Falla de una fase a tierra en la torre en un circuito con conductor de
guarda
62
Figura 9.3 Circuito equivalente de la fase bajo falla a tierra en la torre n 63
Figura 10.1 Diagrama esquemático de la malla de puesta a tierra 65
Figura 10.2 Ubicación de mediciones de resistividad en la PJBA 66
Figura 10.3 Resistividades medidas en la PJBA 67
Figura 10.4 Diagrama de conexión de una célula de Kirk 73
Figura 10.5 Conexión a tierra del tanque de combustible crudo 73
Figura 10.6 Conexión a tierra de las bombas de combustible limpio 74
Figura A1.1 Serie electroquímica de los metales 81
Figura A2.1 Resistencia de puesta a tierra de las estructuras de la línea JBA-Los
Millanes
84
Figura A2.2 Resistencia de puesta a tierra de las estructuras de la línea JBA-Los
Robles
84
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x
Figura A2.3 Resistividad promedio del terreno a lo largo de la línea JBA-Los
Millanes
85
Figura A2.4 Resistividad promedio del terreno a lo largo de la línea JBA-Los
Robles
85
Figura A2.5 Circuito equivalente del cable de guarda 86
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xi
NDICE DE TABLAS
Tabla 3.1 Clasificación del medio electrolítico de acuerdo a su resistividad 10
Tabla 3.2 Cuadro comparativo entre protección catódica por corriente impresa y
protección catódica por ánodos de sacrificio
19
Tabla 4.1 Guía para determinar el nivel de corrosión a partir de parámetros del
suelo
21
Tabla 4.2 Potencial de protección adoptado generalmente en el suelo y agua de
mar
23
Tabla 4.3 Densidades de corriente requeridas para protección catódica de acero
desnudo en diversos medios
25
Tabla 6.1 Ánodos de Ferrosilicio-Cromo para sistemas por Corriente Impresa 33
Tabla 6.2 Resistencias del circuito de protección catódica 36Tabla 6.3 Corrientes de protección catódica de los tanques con el voltaje de diseño 36
Tabla 6.4 Corrientes ajustadas de protección catódica 37
Tabla 9.1 Factor Kf en los conductores más utilizados para mallas de tierra 57
Tabla 9.2 Valores típicos de Df 61
Tabla 10.1 Resistividades involucradas con la malla de puesta a tierra a diseñar 67
Tabla 10.2 Análisis de malla diseñada sin tomar en cuenta la interconexión 69
Tabla 10.3 Impedancias de tierra interconectadas con la malla de la PJBA 69
Tabla 10.4 Potenciales de toque y de paso en la PJBA 70
Tabla A2.1 Características del cable de guarda convencional 82
Tabla A2.2 Características del cable de fibra óptica 83
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LISTA DE S MBOLOS Y ABREVIATURAS
SENECA Servicio Eléctrico del Estado Nueva Esparta Compañía Anónima.
INELMECA Ingenieros Electricistas y Mecánicos Compañía Anónima.
PDVSA Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima.
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers.
NACE National Association of Corrosion Engineers.
ANSI American National Standards Institute.
NFPA National Fire Protection Association.
PJBA Planta Juan Bautista Arismendi.
S/E Subestación.
SPT Sistema de Puesta a Tierra.
SPC Sistema de Protección Catódica.
GPR Ground Potential Rise.
Fe Hierro.
e- Electrón.
H Hidrogeno.
Cu4[(OH)6|SO4] Bronchatina.
Fe2O3-H2O Óxido de hierro hidratado.
H2O Agua.
Fe(OH)2 Hidróxido de hierro.
CaCO3 Carbonato de Calcio.
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xiii
Mg(OH)2 Hidroxido de Magnesio.
Cu Cobre.
CuSO4 Sulfato de Cobre.
Ag Plata.
AgCl Cloruro de Plata.
m Metro.
cm Centímetro.
mm Milímetros.
kg Kilogramo.
mg Miligramo.
PPM Partes por millón.
Ω Ohmio.
mΩ Miliohmio.
A Amperio.
kA Kiloamperio.
mA Miliamperio.
Ah Amperios hora
V Voltio.
kV Kilovoltio.
mV Milivoltio.
MW Megavatio.
Hz Hertz.
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xiv
seg Segundo.
kcmil Kilo-Circular Mil.
AWG American wire gauge.
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CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS DEL TRABAJO
1.1 Introducción
Como resultado de los estudios realizados por la Nueva Electricidad de Caracas conjuntamentecon SENECA, con el fin de garantizar el suministro confiable y seguro de energía eléctrica en la
Isla de Margarita, Estado Nueva Esparta, se ha decidido llevar a cabo el Proyecto “Complejo
Generador Juan Bautista Arismendi”, el cual contempla la construcción de una nueva Planta de
Generación Termoeléctrica, denominada Planta Juan Bautista Arismendi (PJBA), con una
Subestación (S/E) asociada, ubicada al Oeste de la Planta de Almacenamiento y Distribución de
Combustibles de PDVSA en El Guamache; dos (2) líneas de transmisión doble terna aisladas en
230 kV hasta la S/E Los Millanes y la S/E Los Robles, respectivamente; una (1) línea de
transmisión simple terna 115 kV desde la S/E Los Robles a la S/E La Asunción; y la ampliación
y adecuación de las subestaciones Los Millanes, Los Robles y La Asunción.
La primera fase de este proyecto consiste en la construcción de la planta Juan Bautista
Arismendi, su subestación asociada y dos líneas doble terna en 115 kV hacia las subestaciones
Los Robles y Los Millanes respectivamente, estas líneas estarán adecuadas para trabajar en
230kV en la segunda fase del proyecto.
Se diseñará en este trabajo la malla de puesta a tierra que protegerá los equipos presentes en la
isla de potencia y el balance de planta de la Planta Juan Bautista Arismendi; y el sistema de
protección catódica de los tanques de combustible, necesarios para el funcionamiento de la
misma.
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2
Para esto es necesario disponer del estudio de la resistividad del terreno, permitiendo
determinar la resistencia de la malla de puesta a tierra a partir de las configuraciones deseadas.
Como filosofía, estas configuraciones de la malla de puesta a tierra constarán de un anillo que
bordeará a las áreas de la planta y conductores transversales que proveerán las conexionesnecesarias para la correcta protección de los equipos y garantizar la equipotencialidad de todas
las estructuras presentes en la planta.
A partir de los estudios de resistividad se podrá determinar también el grado de corrosión que
afectará los tanques de almacenamiento de combustible para diseñar la protección catódica de los
mismos. Como filosofía para el diseño de la protección catódica, una vez conocido el grado de
agresividad del terreno, se determinará la corriente de protección necesaria tomando en cuenta los
códigos y las normas aplicables, con la cual se calculará la cantidad de ánodos y otros materiales
requeridos.
1.2 Objetivo general
Calcular y dimensionar los equipos y materiales necesarios para construir el sistema de
protección catódica de los tanques de almacenamiento de combustible y de la malla de puesta a
tierra de la Planta Juan Bautista Arismendi en el Edo. Nueva Esparta.
1.3 Objetivos específicos
Determinar la calidad del suelo y su influencia sobre la protección catódica a diseñar.
Evaluar las distintas opciones para la construcción de la protección catódica de los tanques dealmacenamiento de combustible de la Planta Juan Bautista Arismendi.
Determinar la corriente necesaria de protección en base a la resistividad del terreno.
Especificar los materiales a utilizar para la protección catódica de los tanques de combustible.
Determinar la calidad del suelo y su influencia sobre la malla de puesta a tierra a diseñar.
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3
Determinar las conexiones necesarias para la protección de los equipos ubicados en la Planta
Juan Bautista Arismendi
Diseñar la geometría de la malla de puesta a tierra indicando las conexiones pertinentes a los
equipos a proteger
Análisis del GPR y las tensiones de toque y de paso máximas permitidas y calculadas según la
configuración geométrica seleccionada.
Determinar las conexiones necesarias para lograr la equipotencialidad de todos los equipos
presentes en la Planta Juan Bautista Arismendi.
1.4
Metodología
En los primeros capítulos se presentan las bases teóricas de la corrosión y cómo afecta ésta el
correcto funcionamiento de las estructuras metálicas y los sistemas que dependen de éstas para su
funcionamiento; así, en el capítulo 3 se presentan los fundamentos básicos del proceso de
corrosión; en el capítulo 4 una revisión normativa sobre la protección catódica y los
requerimientos para el correcto funcionamiento de la misma.
Posteriormente, en el capítulo 5 se presenta el procedimiento seguido en este proyecto para el
control de la corrosión en los tanques de combustible, y en el capítulo 6 se describe el diseño
realizado y los resultados obtenidos para la protección catódica en la Planta Juan Bautista
Arismendi.
De igual manera, en el capítulo 7 se presentan las bases teóricas de los sistemas de puesta a
tierra en las plantas de generación, en el capítulo 8 se hace una revisión de las normas, donde se
presentan los criterios a tomar en cuenta para la correcta operación del sistema de puesta a tierra,
en el capítulo 9 se presenta el procedimiento realizado en este proyecto y, en el capítulo 10 se
describe el diseño realizado para la malla de puesta a tierra de la Planta Juan Bautista Arismendi.
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CAPÍTULO 2
Descripción de la empresa
INELMECA es una empresa privada netamente venezolana, fundada el 15 de marzo de 1976
por su actual presidente, Ing. Julio Rodríguez Briceño, y un grupo de profesionales en el campo
de la Ingeniería.
INELMECA se especializa en ofrecer servicios al sector industrial eléctrico, petrolero,
petroquímico y carbonífero nacional, a empresas de servicios públicos así como a organizaciones
públicas y privadas, para desarrollar proyectos multidisciplinarios en las fases de Ingeniería
Conceptual, Básica y de Detalle, incluyendo Gerencia Integral de Proyectos (Ingeniería,
Procura y Construcción), Supervisión e Inspección de Obras, Asistencia Técnica, Estudios de
Impacto Ambiental y Entrenamiento Técnico de Personal, con un renovado énfasis en lainnovación dentro de los más altos estándares de calidad.
INELMECA ha acumulado experiencia durante más de 33 años de desempeño, en el desarrollo
de ingeniería de alta especialización, con una excelente plataforma tecnológica en comunicación
con red de voz y datos, que permite compartir información de los proyectos en tiempo real en
todas las oficinas a nivel nacional.
INELMECA tiene experiencia en la ejecución de proyectos con otros consultores Nacionales e
Internacionales bajo distintas modalidades y diversificación de responsabilidades, actuando como
contratista principal o administrando servicios de forma integral.
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2.1 Misión
Desarrollar y ejecutar asesorías, estudios y proyectos integrales de ingeniería a organizaciones públicas y privadas, empleando los sistemas más avanzados y nuevas tecnologías que requiere el
mercado, dentro de un ambiente de colaboración, responsabilidad y profesionalismo, en búsqueda
de la satisfacción de nuestros Clientes, del bienestar de nuestro personal y de la maximización del
beneficio para los accionistas
2.2 Visión
Ser y mantenernos como una Empresa líder de Ingeniería de Consulta en el ámbito nacional e
internacional, reconocida y preferida por la excelente calidad técnica de los trabajos que ejecuta.
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Figura 2.1 Estructura organizativa de INELMECA
Figura 2.2 Ubicación de las oficinas de INELMECA.
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CAPÍTULO 3
Principios de Protección Catódica
En este Capítulo se van a presentar los conceptos básicos relacionados con uno de los tópicos
desarrollados. Corresponde al tema de protección catódica, se empieza por una revisión del
significado de corrosión y cómo afecta ésta las estructuras, específicamente los tanques de
almacenamiento de combustible, área de interés para este proyecto.
3.1 Definición de corrosión
En el Diccionario de la Real Academia Española[20] podemos encontrar lo siguiente sobre la
palabra corrosión:
“(Del lat. corrōsum, supino de corrodĕre, corroer).
1. f. Acción y efecto de corroer.
2. f. Quím. Destrucción paulatina de los cuerpos metálicos por acción de agentes externos,
persista o no su forma.
Ampliando un poco esta definición, la corrosión es la destrucción de los metales y sus
aleaciones debido a la interacción con el medio ambiente que lo rodea, transformándose en
óxidos o sales (formas más estables), y liberando energía en el proceso.
Al ocurrir la corrosión, el material pierde todas las características mecánicas necesarias para
cumplir la función para la que fueron elaborados, por lo que la corrosión es un proceso que busca
evitar o al menos reducir sus efectos para prolongar la vida útil del material en la instalación en la
que presta servicio.
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8
El proceso de corrosión se debe a que la mayor parte de los metales no se encuentran en la
naturaleza en estado puro; se extraen de sólidos, sulfatos y otros compuestos estables pero menos
útiles, colocándolos así en un estado de alta energía. Al colocar el metal en contacto con elambiente regresa a su estado natural a través del proceso de corrosión; los metales como el oro,
que se encuentran en estado natural, presentan por lo tanto una alta resistencia a la corrosión.
Otros materiales forman al corroerse una capa que los aísla del ambiente, tal es el caso del
cobre que forma una capa adherente verde formada principalmente de brochantita,
Cu4[(OH)6|SO4], al contrario del acero que se degrada en materiales formados por óxido de
hierro hidratado, Fe2O3-H2O, que no se adhieren y no forman una capa protectora. [9]
3.2 Corrosión en materiales ferrosos [9]
Los materiales ferrosos se oxidan en casi cualquier medio ambiente, pero el grado de corrosión
depende de las condiciones de la superficie del metal y las características del medio corrosivo.
En presencia de aire seco y temperaturas normales el proceso de corrosión sucede de la siguiente
manera:
Se forma una capa fina protectora en la superficie del metal, a través de las siguientes
reacciones:
Ánodo
Ec. 3.1
Cátodo:
Ec. 3.2
Sin embargo, esta capa no es protectora en presencia de electrolitos, cuando hay presencia de
oxígeno, en el medio (cátodo) se da la siguiente reacción:
Ec.3.3
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9
Ocasionándose entonces la siguiente reacción en el material ferroso (ánodo):
Ec.3.4
Formándose hidróxido férrico, que es una simple forma de óxido, el producto final de estas
reacciones es Fe2O3 -H2O, este puede presentarse en una gran variedad de formas.
3.2.1 Factores que afectan la corrosión de materiales ferrosos en contacto con el suelo
La corrosión en suelos es aún más difícil de generalizar que la corrosión en aguas, ningún metal
ferroso debe estar en contacto con el suelo sin tener una capa protectora o una adecuada
protección; nuevamente las condiciones de operación son de suma importancia y así por ejemplo,
en instalaciones eléctricas, cuando el metal drena corriente a tierra se acelera el proceso de
corrosión. Nuevamente se estudiará el efecto de la composición del metal y del suelo. [9]
3.2.1.1 Composición del material:
En los suelos, la tasa a la que se recupera el oxígeno es mucho menor que la tasa con la que se
recupera el agua, por esa razón, no hay mucha diferencia en la velocidad con la que se corroen
los diferentes metales, es importante evitar desperfectos en la estructura que puede aumentar la
velocidad de la corrosión localizada y la corrosión por picadura.[9]
3.2.1.2 Composición del suelo:
El nivel de corrosión del suelo varia en gran medida con el tipo de suelo, teniendo mucha más
influencia en la velocidad de corrosión que la composición del material ferroso que será corroído,
en general, suelos secos, arenosos o calcáreos presentan una gran resistencia a la electricidad y
son menos corrosivos, por otro lado suelos húmedos con altos contenidos de sal y una baja
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resistencia eléctrica son sumamente corrosivos. En la tabla 3.1 se muestra la clasificación de los
terrenos según su resistividad.[8]
Tabla 3.1 Clasificación del medio electrolítico de acuerdo con su resistividad [8]
Resistividad del medio(Ω*cm) Corrosividad
Menos de 500 Muy corrosivo
Entre 500 y 1000 Corrosivo
Entre 1000 y 2000 Moderadamente Corrosivo
Entre 2000 y 10000 Ligeramente Corrosivo
Mayores a 10000 Progresivamente menos Corrosivo
3.3 Métodos de protección contra la corrosión.[9]
La celda de corrosión está formada por un ánodo, un cátodo, una diferencia de potencial entre
ellos y una solución conductora que los une. Si se elimina alguno de estos componentes, el
fenómeno de corrosión puede llegar a detenerse, esto, a veces no es posible y se aplican técnicas
para hacer al proceso de corrosión más lento e ineficiente reduciendo el flujo de electrones através de esta celda de corrosión.
Existen varias formas de atacar la corrosión, se explicarán en este aparte:
3.3.1 Protección por selección de materiales [10]
Una forma de reducir los efectos de la corrosión es fabricar las estructuras con materialesautoprotectores, es decir, que resistan por ellos mismos el fenómeno de corrosión. Ejemplos de
estos materiales que son muy resistentes a la corrosión y a la actuación de muchos ácidos son el
cromo, níquel, platino y oro.
También se utilizan aleaciones que cuenten con estas características y sean más económicas
como los aceros inoxidables, aceros al níquel y otras aleaciones basadas en níquel, cobre y
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aluminio; y es posible que la elección de estos materiales autoprotectores se haga junto con la de
sobredimensionar las estructuras para permitir cierta pérdida del material y seguir garantizando
su funcionalidad.
3.3.2 Recubrimientos protectores [10]
El recubrimiento es una película continua de un material aislante sobre la superficie de la
estructura que se quiere proteger y su función es aislar el metal del contacto directo con el
electrolito.
Los revestimientos constituyen la primera línea de defensa en el contexto de un programa de
control de corrosión subterránea. Los costos de mantenimiento, el número de ánodos, y los
requerimientos de corriente para protección catódica de estructuras metálicas enterradas y
sumergidas son todos reducidos hasta un grado sorprendente, por un buen revestimiento sobre la
estructura. Basados en la experiencia, se ha demostrado que los revestimientos no ofrecen total
protección contra la corrosión, y debe ser complementada con protección catódica.
Los revestimientos pueden deteriorarse con el tiempo al expandirse con la humedad o
contraerse con la sequedad.
3.3.3 Protección anódica [21]
Los metales se corroen en un rango de condiciones de potencial y pH del medio donde se
encuentran, cuando este potencial se vuelve más negativo la corrosión cesa, esto se llama
protección catódica y se explicará posteriormente, en cambio cuando este potencial aumenta y se
hace más positivo, la corrosión ataca más agresivamente al material; sin embargo, es posible en
algunos materiales sujetos a la corrosión de ciertos medios agresivos, que este potencial llegue a
un punto de pasivación, donde la corrosión se reduce apreciablemente, a esto se le conoce como
protección anódica.
La actuación en forma pasiva de un metal ante un medio agresivo puede ser causa de la
formación de una capa de óxidos de muy pequeño espesor pero compacta, adherente y muy baja
porosidad que prácticamente aísla el metal del medio o de la presencia de capas monoatómicas,
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generalmente de oxigeno absorbidas sobre las superficies metálicas aunque este caso es bastante
menos común, la formación de esta capa reduce considerablemente la densidad de corriente de
corrosión.
No todos los materiales son pasivables, hay algunos en los que al aumentar el potencial de
corrosión simplemente aumenta la agresividad del medio sobre el material, pero el medio es muy
efectivo para evitar la corrosión en medios como ácido sulfúrico y otros medios líquidos
corrosivos. [21]
Es necesaria entonces una corriente para lograr la pasivación del metal, esta corriente es
función del tiempo, mientras el tiempo de pasivación sea más pequeño se requerirá una corriente
más grande y viceversa. También es necesaria una corriente para mantener la condición pasiva
del metal, ésta suele ser de un orden de magnitud menor que la anterior, existe el riesgo de
aumentar el potencial del material más allá de la zona de pasivación, pudiendo llegar a un punto
de ruptura y provocar corrosión fuertemente localizada o corrosión por picadura; ambas
corrientes son función del material y del medio electrolítico en el que se encuentre.
La figura 3.1 muestra en la parte izquierda la relación entre el potencial y el pH de la solución,
mostrando las zonas de inmunidad (protección catódica), pasivación (protección anódica) y la
zona donde el material se corroe y del lado derecho se muestra la misma gráfica pero ahoramostrando la relación entre el potencial y la corriente de corrosión, esto se llama curva de
polarización
:
Figura 3.1 Curva de polarización para materiales pasivables.[21]
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13
Un esquema de protección anódica de un tanque se muestra en la figura 3.2, la corriente es
suplida por un rectificador de potencial controlado, este instrumento es el que mantiene al
material dentro del rango pasivo, el potencial adecuado se puede determinar mediante pruebas de
laboratorio, elaborando las curvas de polarización. El electrodo de referencia es necesario para
poder obtener una retroalimentación del comportamiento del medio, el material del que está
hecho depende de cómo reacciona con el medio corrosivo.
Entre las desventajas de este método está que para su funcionamiento es necesaria una
cuidadosa supervisión y control, lo que hace más elevado el costo de los equipos necesarios parasu implantación, siendo viable solo en casos donde la protección catódica no es factible,
especialmente en medios muy agresivos.
Figura 3.2 Esquema de protección anódica.[21]
Rectificador de
potencial
controlado
Electrodo de
referencia
Cátodo
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3.3.4 4 Protección catódica [10]
La protección catódica es la técnica más utilizada para reducir la corrosión de superficiesmetálicas mediante el uso de electricidad de corriente directa proveniente de una fuente exterior,
que puede ser un rectificador de corriente o varios ánodos de sacrificio enterrados, a fin de
contrarrestar la descarga de corriente corrosiva en áreas anódicas de una estructura metálica,
inmersa en un medio conductivo, o electrolito, tal como tierra y agua. Cuando un sistema de
protección catódica está instalado adecuadamente, todas las porciones de la estructura protegida
recolectan corriente del electrolito que está alrededor y la superficie total expuesta llega a ser una
sola área catódica. Se basa así mismo en la existencia de un potencial de inmunidad, al cual es
suficiente llevar el metal a proteger para detener la corrosión.
La protección catódica es un método electroquímico cada vez más utilizado hoy en día, el cual
aprovecha el mismo principio electroquímico de la corrosión. Para esto, los tanques y tuberías
deben estar complementadas con un cierto revestimiento, pues el diseño requiere del cálculo de
algunos parámetros importantes, como son: densidad eléctrica de protección, resistividad del
electrolito y número de ánodos, entre otros. La protección catódica es por lo tanto un ingrediente
esencial en un sistema de control de corrosión general para aplicaciones tanto en estructuras
costa-afuera, pozos, tanques de almacenaje, y tuberías sumergidas o enterradas.
La protección catódica es capaz de detener por completo a la corrosión, pero a veces es más
viable permitir un cierto nivel de corrosión muy bajo, es un método muy versátil que puede ser
usado en casi cualquier medio corrosivo.
Si cada fracción del metal expuesto de una tubería o una estructura construida se polariza de tal
forma de coleccionar corriente, dicha estructura no se corroerá porque sería un cátodo. La
protección catódica realiza exactamente lo mencionado forzando la corriente de una fuente
externa, sobre toda la superficie de la estructura.
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Las corrientes de corrosión electroquímicas pueden ser invertidas mediante una aplicación
adecuada de protección catódica. Esto hace a toda la estructura catódica, eliminando las áreas
anódicas naturales con corriente continua impresa en la estructura, desde un ánodo externo de
mayor potencia.
La protección catódica no necesariamente elimina la corrosión. Sin embargo, transfiere la
corrosión de la estructura protegida y la concentra en algún otro punto conocido donde la
descarga de corriente del (los) ánodo (s) puede ser diseñada para larga vida y fácil reemplazo. La
protección catódica es efectiva sólo en la superficie del metal expuesto al mismo electrolito que
el ánodo.
Existen tres medios a través de los cuales la protección catódica evita la corrosión en la
estructura, estos son:
El potencial del metal se fija de tal manera que se haga catódico y sus iones no puedan
abandonar la superficie para formar óxidos
El electrolito alrededor del cátodo se hace más alcalino, debido a un proceso de reducción en su
superficie, tanto de los iones hidrógeno para formar hidrógeno gaseoso como la del oxígeno
disuelto para formar –OH; el efecto de esto es variable: para algunos metales puede causar
pasivación y dar protección
El aumento de pH causa la precipitación de sales insolubles tales como CaCO3 y Mg(OH)2; las
cuales pueden depositarse sobre el metal produciendo una capa calcárea protectora e inhibidora
de la corrosión.
La protección catódica se divide según la fuente de corriente que se utiliza, encontrándose así,
la protección catódica con ánodos de sacrificio y la protección catódica por corriente impresa .
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3.3.4.1 Comparativa entre la protección catódica por ánodos galvánicos y la protección
catódica por corriente impresa
3.3.4.1.1 Protección catódica por ánodos galvánicos o de sacrificio [22]
En 1824 el inglés Davy utilizó por primera vez bloques de zinc para proteger la envoltura de los
buques de guerra británicos, esto fue el inicio de lo que hoy conocemos como protección
catódica. En el diseño de la protección catódica es muy común el empleo de ánodos de zinc,
magnesio, aluminio y sus aleaciones. En nuestro país debido al crecimiento de la industria del
aluminio, se producen ánodos de aleaciones de este metal de muy buena calidad y costo
competitivo, por lo que sus usos en la industria se ha popularizado, a pesar de que su eficiencia es
menor que las del zinc y magnesio
El material que actúa como ánodo, se debe sacrificar, o corroer, a favor del metal que se debe
proteger, actuando éste como el cátodo, esta es la razón del nombre protección por ánodos de
sacrificio. En la elección de los materiales se debe tomar en cuenta la serie electroquímica de los
metales; según ésta, por ejemplo, el hierro es anódico con respecto al cobre y catódico con
respecto al zinc. Este proceso se ilustra en la figura 3.3.
Figura 3.3. Mecanismo de protección catódica con ánodo de sacrificio.[22]
Las propiedades que debe reunir un material anódico son las siguientes:
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1) Debe tener un potencial de disolución lo suficientemente negativo como para polarizar la
estructura de acero (que es el metal que normalmente se protege) a -0,80 V. Sin embargo, el
potencial no debe ser excesivamente negativo ya que eso motivaría un gasto innecesario de
corriente. El potencial práctico de disolución puede estar comprendido entre – 0,95 V y – 1,7 V.
2) Cuando el metal actúe como ánodo debe presentar una tendencia pequeña a la polarización.
3) El metal debe tener un elevado rendimiento eléctrico, expresado en amperes-hora por kg de
material (Ah/kg).
4) En su proceso de disolución anódica, la corrosión deberá ser uniforme.
5) El metal debe ser de fácil adquisición y deberá de poderse fundir en diferentes formas y
tamaños.
6) El metal deberá tener un costo razonable, de modo que en conjunción con las características
electroquímicas correctas, pueda lograrse una protección a un costo bajo por ampere-año.
Todas estas características favorecen los materiales mencionados anteriormente (zinc, magnesio
y aluminio) para ser utilizados como ánodos de sacrificio.
3.3.4.1.2 Protección catódica por corriente impresa[22]
La protección catódica por corriente impresa surgió 100 años después que la protección
catódica por ánodos de sacrificio, estos sistemas utilizan la corriente que provee una fuente
continua para obtener la corriente que es necesaria para proteger la estructura.
En la protección catódica por corriente impresa, se une eléctricamente el polo negativo de lafuente de corriente con la estructura que se trata de proteger y el positivo a un ánodo para cerrar
el circuito, estos ánodos suelen ser de chatarra de hierro, grafito, titanio platinado, entre otros. Es
indispensable que el electrolito (medio agresivo) complete el circuito.
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Este sistema de protección catódica tiene la característica de que utiliza como ánodo dispersor
de la corriente (electrodo auxiliar) materiales metálicos que en mayor o menor grado se
consumen con el paso de la corriente. Sin embargo, el intercambio necesario de corriente con el
electrolito tiene lugar a través de reacciones electroquímicas, las cuales dependen tanto delmaterial anódico, como del ambiente que rodea al mismo e incluso de la densidad de corriente
que éste suministra.
Los componentes de un sistema de protección catódica con corriente impresa son:
a) una fuente de corriente continua o, simplemente rectificadores, que alimentados por corriente
alterna ofrecen una corriente eléctrica continua apta para la protección de la estructura.
b) un ánodo dispersor con r elleno Backfill, el cual se usa para mejorar las condiciones de
operación de los ánodos en sistemas enterrados, estos productos químicos rodean completamente
el ánodo produciendo algunos beneficios como:
Promover mayor eficiencia.
Desgaste homogéneo del ánodo.
Evita efectos negativos de los elementos del suelo sobre el ánodo.
Absorben humedad del suelo manteniendo dicha humedad permanente.
La composición típica del Backfill está constituida por yeso (CaSO4), bentonita, sulfato de
sodio, y la resistividad de la mezcla varía entre 50 a 250 ohm-cm.
c) el cable portador de la corriente. En la figura 3.4 se presenta un esquema de la protección de
una tubería enterrada en el suelo.
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Figura 3.4. Esquema de protección catódica con corriente impresa de una tubería enterrada. [22]
3.3.4.1.3 Ventajas y desventajas de los métodos de protección catódica
En la tabla 3.2 se presenta una comparación entre las ventajas y las desventajas de la selección de
ambos métodos de protección catódica.
Tabla 3.2 Cuadro comparativo entre protección catódica por corriente impresa y proteccióncatódica por ánodos de sacrificio.[23]
Corriente Impresa Ánodos de sacrificio
Ventajas Desventajas Ventajas Desventajas
Permite vencer caídas
óhmicas altas
Necesidad de una fuente
de corriente externa
No se necesita de una
fuente de corriente externa
No permite vencer
fuertes caídas
óhmicasSu uso no es restringido Peligro de
sobreprotección
Fácil de instalar
Se necesitan pocos ánodos Costo elevado No necesita control
durante su funcionamiento
Su uso es restringido
a medios conductores
y a estructuras
recubiertas
Permite proteger estructuras
de gran tamaño
No suelen existir
problemas de
sobreprotección
Bajo costo
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Donde:
T es la tasa de corrosión en cm/año
ρ es la densidad del material en mg/cm3
t es el tiempo de exposición en años
A es el área expuesta a la mezcla en cm2
W es la cantidad de material que se perdió por el fenómeno de corrosión en mg
Este método es muy útil para medir la corrosión uniforme, sin embargo cuando la corrosión eslocalizada, se producen pérdidas pequeñas de material, en cambio, se alteran en gran medida las
propiedades mecánicas. Se pueden medir estos tipos de corrosión con microscopios electrónicos
o rayos X para realizar un análisis más detallado. [9]
4.1.2 Determinación del grado de corrosión donde no se cuenta con estudios anteriores.
Si no se pueden realizar estudios sobre tanques ya existentes, se pueden realizar estudios en el
medio en donde se encontrará la estructura y, apoyándose en las tablas presentadas por las
normas PDVSA se puede determinar el grado de corrosión que afectará la estructura. En la tabla
4.1 se muestra un ejemplo para el caso que afecta el proyecto, es decir, para tanques de
almacenamiento en contacto con el suelo:
Tabla 4.1 Guía para determinar el nivel de corrosión a partir de parámetros del suelo.[4]
Parámetro medido Corrosivo Muy Corrosivo
pH 5-6.5 1000PPM
Sulfatos 1000-5000 PPM >5000PPM
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Sin embargo, el parámetro que más se utiliza para determinar la agresividad del suelo es la
resistividad de éste, la norma PDVSA HA-201 [8] presenta una tabla con los valores a utilizar.
Ver Tabla 3.1
4.2 Criterios de protección [24]
Para garantizar la eficacia del sistema de protección catódica es necesario cumplir con una serie
de criterios, los cuales son presentados por la NACE:
1.- -850 mV con respecto al electrodo de Cobre/ Sulfato de Cobre (ECSC), cuando la protección
catódica está aplicada.
2.- Un potencial de polarización de -850 mV con respecto al electrodo de Cu/CuSO 4.
3.- 100 mV de polarización.
4.2.1 Criterio de -850 mV con protección catódica aplicada [24]
El criterio establece que para lograr una efectiva protección contra la corrosión se debe tener un
voltaje como mínimo de -850 mV cuando es aplicada la protección catódica, este potencial es
medido con respecto al electrodo de Cobre/Sulfato de Cobre en contacto con el electrolito en
donde debe ser considerada la caída de tensión entre la estructura y el límite del electrolito donde
se coloca el electrodo.
Este criterio fue originalmente adoptado, basándose en observaciones donde se determinó la
existencia de estructuras de acero enterradas con recubrimientos, las cuales no presentabancorrosión y contaban con un potencial natural de -800 mV (ECSC). Con lo cual se determinó que
al aplicar protección catódica sólo se debería hacer un aumento en el potencial de la estructura en
dirección negativa, para obtener un valor más negativo que el potencial natural de la estructura.
El potencial de -850 mV fue adoptado para contar con un margen de protección de 50 mV. La
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efectividad del criterio ha sido demostrada por los muchos años de protección. En la tabla 4.2 se
muestran los potenciales de materiales:
Tabla 4.2 Potencial de protección adoptado generalmente en el suelo y agua de mar. [22]
Metal o aleación Suelo Cu/CuSO4 (saturado) Agua de mar Ag/AgCl/agua
de mar
Acero al carbón en
condiciones normales -850 mV -800 mV
Acero al carbón en
condiciones anaerobias -950 mV -900 mV
Plomo -600 mV -550 mV
Cobre y sus aleaciones -500 a -650 mV -450 a -600 mV
Aluminio -950 a -1.200 mV -900 a -1.150 mV
Entre los métodos utilizados para establecer si la protección no es afectada por la caída de
tensión, se pueden nombrar:
Medida o cálculo de la caída de tensión. Revisando el comportamiento histórico del sistema de protección catódica.
Evaluación de las características físicas y eléctricas de la tubería y su medio ambiente.
Determinar si hay o no evidencia de corrosión.
De los tres criterios nombrados, el primero es probablemente el más usado para determinar si
estructuras de acero o hierro fundido enterrado o sumergido están a un nivel aceptable de
protección catódica.
En particular, el valor normalmente indicado para la protección de estructuras de acero
enterradas nuevas y bien protegidas con algún tipo de recubrimiento es aquel que lleva a un
potencial inferior a los -850 mV vs. Cu/CuSO4 (criterio de los -850 mV) y a -900 mV en el caso
de un suelo que contenga bacterias sulfato-reductoras (o sea, más agresivo).
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4.2.2Criterio de potencial de polarización de -850 mV [24]
Este criterio establece un potencial negativo de polarización de -850 mV con respecto al
electrodo de Cu/CuSO4. El potencial de polarización es definido como el potencial en la
superficie de contacto entre la estructura y el electrolito siendo la suma del potencial de corrosión
y la polarización catódica. El potencial de polarización es medido directamente luego de la
interrupción de todas las fuentes de corriente y son generalmente llamadas potencial “OFF”. La
diferencia de potencial entre el potencial natural y el potencial “OFF” o potencial de polarización
es la cantidad de potencia que ocurre como resultado de la aplicación de protección catódica.
4.2.3 Criterio 100 mV de polarización [24]
Este criterio establece para una adecuada protección un mínimo de 100 mV de polarización
catódica (cambio de potencial en el electrodo en dirección electronegativa como resultado del
flujo de corriente entre el electrolito y el electrodo), entre la superficie de la estructura y un
electrodo de referencia en contacto con el electrolito.
Para determinar la magnitud del desplazamiento como resultado de la polarización, primero se
deben determinar los potenciales naturales de la estructura enterrada antes de aplicar protección
catódica. El potencial “ON” es medido después de aplicar protección catódica y transcurrido
suficiente tiempo de polarización. El potencial “ON” es continuamente monitoreado luego de
aplicar protección catódica hasta quedar estable, al suceder esto se debe medir el potencial
“OFF”, el cual debe tener una diferencia de 100 mV con respecto al potencial natural, al lograrlo,
se satisface el criterio.
4.3 Densidad de corriente requerida [8]:
Sin embargo hay veces que no es posible medir estos potenciales, sobre todo cuando se está
diseñando, para ello, ingenieros expertos en corrosión, basados en la experiencia, crearon tablas
en las que se muestra la densidad de corriente aproximada que protege una estructura, para
estructuras de acero, estas se muestran en la tabla 4.3 para distintos medios corrosivos.
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Tabla 4.3 Densidades de corriente requeridas para protección catódica de acero desnudo en
diversos medios(@Tambiente=15 a 25ºC). [8]
Medio Densidad de corriente(mA/m2)
Suelos 10 a 30
Suelo neutro o estéril 5 a 17
Suelo aireado y seco 5 a 17
Suelo húmedo 28 a 66
Suelo muy ácido 56 a 170
Suelo con bacterias 450
Agua dulce y zonas fangosas 11 a 32
Agua dulce estancada 56
Agua dulce en movimiento 56 a 66
Agua dulce turbulenta 56 a 170
Agua salada 50 a 80
Agua salada en movimiento 100 a 150
Lago de Maracaibo 50 a 100
Plataforma continental
venezolana(agua)
80
Plataforma continental
venezolana(barro)
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4.4 Criterio utilizado en el proyecto
Para determinar la necesidad de protección contra la corrosión se empleó la medición de la
resistividad del terreno. Ésta fue realizada por la empresa TRX Consulting [33], en el área donde
se ubicarán los tanques de combustible. Se reportaron resistividades del orden de 1,95 Ω*m lo
cual, según la tabla 3.2, significa que el terreno es extremadamente agresivo y se requiere
protección catódica.
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El sistema de protección catódica será diseñado por el método de corriente impresa dados los
valores tan bajos de resistividad lo que hará que los requerimientos de corriente sean elevados.
Adicionalmente, por tratarse de una planta de generación el rectificador de voltaje tendrá una
fuente de fácil acceso.
La corriente de diseño se obtuvo según la tabla 4.3 la cual indica que, como el medio corrosivo
es un suelo, se necesitan entre 10 y 30 mA/m2 para la correcta protección de la estructura.
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Figura 5.1 Procedimiento para el diseño de la protección catódica.
Datos de entrada: Agresividad
del terreno, diámetro de los
tanques y ubicación del
rectificador
Cálculo de la corriente requerida
para la protección de cada tanque
Cálculo del número de ánodos requeridos
para la protección de cada tanque
Cálculo del número de la
resistencia del circuito de
protección
Cálculo del voltaje requerido por
el rectificador
¿Se logró una correcta
distribución de corriente?
No
Si
Modificar los calibres
de los cables
Fin del diseño
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Luego, se calculará el número de ánodos como [19]:
Ec.5.2
Donde:
NA es el número de ánodos
Q es el consumo promedio del ánodo en Kg/(A*año), se asumirá un valor de 0.3 de acuerdo
a estudios anteriores. [19]
Y es el tiempo de vida útil del SPC en años
fu es el factor de utilización, este debe estar entre 0.6 y 0.8 según las normas PDVSA[8], se
asumirá 0.75 para usar el mismo criterio que en le Planta Luisa Cáceres de Arismendi[19].
W es el peso del ánodo en kg
Para determinar las características técnicas del rectificador a utilizar es necesario saber la
resistencia del sistema de protección catódica, ésta se calcula como [19]:
Ec.5.3
R estructura-suelo se puede considerar despreciable ya que las estructuras suelen tener una gran
superficie en contacto con el agua [22].
De acuerdo a esto, la ecuación sería modificada quedando [19]:
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EC.5.4
Además, se tiene la fórmula de Dwight para varios ánodos, ésta es [19]:
Ec.5.5
Donde:
R pc es la resistencia del sistema de protección catódica en Ω
R cable es la resistencia del cableado del sistema en Ω
R lecho es la resistencia equivalente al lecho de ánodos en Ω
ρ es la resistividad del terreno en Ω*m
L es la longitud del ánodo (columna de coque) en m
d es el diámetro del ánodo (columna de coque) en m
S es la separación entre ánodos en m
Finalmente la resistencia del cableado se puede calcular como [19]:
Ec.5.6
Donde:
R cable/ánodos es la resistencia del cableado de los ánodos de sacrificio hasta el rectificador de
corriente en Ω
R cable/tanque es la resistencia del cableado desde las conexiones con el tanque hasta el
rectificador de corriente en Ω.
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Estas dos resistencias se obtienen sumando la resistencia de los cables que van desde el
rectificador hasta la caja de interconexión con la resistencia de los cables que van desde la
caja de interconexión hasta los ánodos. El circuito equivalente del sistema de protección
catódica es:
Figura 5.2 Circuito equivalente del sistema de protección catódica
En la figura, R T-1001, R T-1002 y R T-1003 son las resistencias de los cables que van
desde la caja de interconexión hasta cada uno de los tanques; Ranodos 1, Ranodos 2 y
Ranodos 3 son los cables que conectan la caja de interconexión con los tanques T-1003, T-
1002 y T-1001 respectivamente, incluyendo la resistencia del lecho de ánodos y R
Cableado positivo y R Cableado negativo son las resistencias de los cables que conectan el
rectificador con la caja de interconexión.
Finalmente se calculará el voltaje necesario por el rectificador con la ecuación de la Ley de
Ohm:
Ec.5.7
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CAPÍTULO 6
Diseño de la protección catódica
6.1 Diseño de la protección catódica de los tanques de combustible
Se diseñó la protección catódica de tres tanques de combustible utilizando la metodología
planteada en los capítulos 4 y 5, dos de combustible limpio de 9,2 m de radio y uno de
combustible crudo de 11 m de radio, es decir, 265,90 m2 y 380,13 m2 respectivamente. Estos
tanques se encuentran en un medio altamente corrosivo según la tabla 3.2, ya que su resistividad
es de 1,95 Ω*m, es decir, 195Ω*cm. El diagrama esquemático de la protección catódica a diseñar
se muestra en la figura 6.1:
Figura 6.1. Diagrama esquemático de la protección catódica
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Motivado a que este medio es altamente corrosivo se usará en el diseño una densidad de
corriente de 30mA/m2, la más alta según la tabla 4.3 para suelos en general, se usará también un
factor de seguridad de 0,7 al igual que en el diseño realizado en la Planta Luisa Cáceres de
Arismendi.[19]
La corriente requerida por los tanques es, según la ecuación 5.1:
Tanques de combustible limpio:
Tanque de combustible crudo:
De acuerdo a lo anterior los tanques de combustible limpio requieren una corriente de 11,35 A
cada uno y el tanque de combustible crudo 16,29 A, con lo cual la corriente total requerida para
los tres tanques es de 38,99 A, motivo por el cual el rectificador de corriente deberá proveer
entonces 38,99A; sin embargo, la norma PDVSA HA-201[8] establece que los rectificadores de
corriente deben tener una capacidad de 50% mayor a la corriente de diseño, es decir, 58,49 A.
Se utilizará el manual de especificaciones técnicas de materiales PDVSA EM 28/07[5] para el
cálculo del número de ánodos a utilizar, en este manual se presenta la tabla 6.1 para ánodos de
ferrosilicio-cromo.
Tabla 6.1: Ánodos de Ferrosilicio-Cromo para sistemas por Corriente Impresa [5]
Clasificación CabezasDmin(mm)
d(min)(mm)
I(min)(mm)
S(min)(mm)
L min(mm)
C(mm)
P min(Kg)
A (m)
A-65x1200 1 90 65 110 50 1200 1040 27.6 0.212
A-76x914 1 112 76 110 50 914 754 30.6 0.180
A-76x1524 1 112 76 110 50 1524 1364 50.0 0.326
B-25x1524 2 50 28 110 50 1524 1204 8.1 0.106
B-38x1524 2 60 42 110 50 1524 1204 15.7 0.159
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Para reducir el número de ánodos necesarios, se usará el ánodo A76X1524, que es el de mayor
peso, este ánodo presenta las siguientes características:
-Largo: 1524mm
-Diámetro máximo: 112mm
-Diámetro mínimo: 76mm
-Peso: 50Kg
Para el cálculo del número de ánodos se usará un factor de utilización de 75% y una vida útil de
20 años, al igual que en el diseño de la Planta Luisa Cáceres de Arismendi, quedando según la
ecuación 5.2:
Caso de tanques de combustible limpio:
Caso de tanque de combustible crudo:
Es decir, se usarán dos ánodos para los tanques de combustible limpio y tres ánodos para el
tanque de combustible crudo, justificando la elección del ánodo A76X1524, ya que se logra un
diseño similar al de la Planta Luisa Cáceres de Arismendi [19] con lo que se logra facilitar la
medición y control del sistema de protección catódica.
Para determinar las características técnicas del rectificador a utilizar es necesario saber la
resistencia del sistema de protección catódica, el procedimiento de cálculo se indica a
continuación:
En la figura 5.2, R T-1001, R T-1002 y R T-1003 son las resistencias de los cables que van
desde la caja de interconexión hasta cada uno de los tanques; Ranodos 1, Ranodos 2 y Ranodos 3
son los cables que conectan la caja de interconexión con los tanques T-1003, T-1002 y T-1001
respectivamente, incluyendo la resistencia de el lecho de ánodos y RCableado positivo y
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RCableado negativo son las resistencias de los cables que conectan el rectificador con la caja de
interconexión.
Datos a utilizar [19]:
Resistividad del terreno: 1,95 Ω*m
Diámetro de la columna de coque: 0,25m
Largo de la columna de coque: 3m
Las resistencias de los cables serán calculadas a partir de los datos señalados en la norma
PDVSA HA-201 [8]
La resistencia desde el rectificador hasta la caja de interconexión es 77,99mΩ en cada uno de
los cables calibre #4 AWG. Esto es, cableado positivo y cableado negativo en el diagrama.
El cableado que va desde el rectificador hacia los tanques T-1003 y T1002 será de calibre#10
AWG, mientras que el cableado hacia el tanque T-1001 será de calibre#8AWG; el cableado hacia
los lechos de los ánodos de los tanques T-1003 y T-1001 serán de calibre #8AWG mientras que
el cableado hacia el lecho de ánodos del tanque T-1002 será de calibre #10AWG. Ver anexo 6.
Las resistencias de estos cables y la del lecho de ánodos se muestran en la tabla 6.2 y secalculan como:
R=r*L Ec6.1
Donde:
r es la resistencia del cable por cada metro de longitud según la norma PDVSA HA-201[8]
R es la resistencia del cable
L es la longitud del cable
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Tabla 6.2: Resistencias del circuito de protección catódica
Tanque R lecho (Ω)R del cable #8AWG
hacia los ánodos (Ω)
R del cable #8AWG
hacia los tanques (Ω)
T-1003 0,187 0,04363 0,08088
T-1002 0,187 0,07082 0,05231
T-1001 0,127 0,05407 0,03503
Con estos resultados, la resistencia total del cableado es de 246,38 mΩ, lo que significa que con
una corriente de 58,99 A la tensión manejada por el rectificador es de 14,53 V. Sin tomar en
cuenta el sobredimensionamiento del rectificador, es decir, usando una corriente de 39 A, lo que
significa una tensión de 9,61 V y verificando con el circuito analizado, las corrientes por cada
tanque se indican en la tabla 6.3
Tabla 6.3: Corrientes de protección catódica de los tanques con el voltaje de diseño
Tanque Corrientecalculada (A)
Relación con la corrienterequerida por diseño
T-1003 11,318 0,997
T-1002 11,368 1,001
T-1001 16,314 1,001
La corriente del tanque T-1003 fue la que se calculó por debajo del nivel requerido, se ajustó el
voltaje del rectificador para que esta corriente fuera igual a la necesaria según el diseño,
obteniendo una tensión en el rectificador de 9,63 V y una corriente de 39,11 A, los valores
obtenidos para cada tanque se muestran en la tabla 6.4.
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Tabla 6.4: Corrientes ajustadas de protección catódica.
Corriente
calculada (A)
Relación con la corriente de
diseño
T-1003 11,35 1
T-1002 11,4 1,004
T-1001 16,361 1,004
6.2 Protección contra la corrosión en la malla de puesta a tierra
6.2 .1 Corrosión en el cobre
El cobre es un material, que, como se explicó anteriormente, presenta una alta resistencia a la
corrosión debido a que puede encontrarse en forma natural, se han llegado a encontrar incluso
objetos y tuberías que se conservan en buen estado a pesar de haber estado enterradas por más de
5.000 años, lo que ha provocado que muchas personas tengan la creencia de que el cobre no se
corroe; sin embargo, hay condiciones que hacen que el suelo sea sumamente agresivo con el
cobre enterrado.
Las situaciones que pueden provocar que el cobre se corroa son diversas y pueden actuar de
distintas maneras, sin embargo, mediante estudios se han logrado identificar ciertos patrones que
hacen que el suelo sea particularmente agresivo. Éstos son:
Alta concentración de sulfatos o cloruros en conjunto con un pobre drenaje del terreno, la
presencia de ambos (sulfatos y cloruros) hace que el suelo sea sumamente agresivo, sin
embargo, se necesita para esto cierta cantidad de humedad retenida en el terreno.
Suelos con resistividades menores a 1 ó 5 Ω*m suelen ser muy agresivos.
Contenido de materia orgánica, especialmente ácidos orgánicos
Suelos de ceniza húmeda son generalmente corrosivos, esto puede deberse a los sulfuros
presentes o a la acción galvánica de las partículas de carbón.
Los suelos como arcilla, arena, grava, marga y creta suelen asociarse con estas características
que los hacen corrosivos. [27]
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6.2.2 Formas de evitar la corrosión en el cobre
Existen varias formas de proteger al cobre contra la corrosión como:
Protección catódica: El cobre se puede proteger usando protección catódica, siendo necesaria
una densidad de corriente relativamente baja, entre 0,4 y 1,6 mA por cada pie cuadrado, el
problema de aplicar protección catódica a mallas de puesta a tierra es sobre todo la uniformidad
de corriente para lograr proteger todas las áreas sin sobreproteger las menos afectadas por la
corrosión.
Mejoramiento del drenaje: Como se explicó anteriormente, para que exista la corrosión debe
haber una cierta cantidad de humedad presente en el suelo, por lo que mejorar el drenaje delterreno evitaría o reduciría considerablemente la pérdida de material de cobre.
Uso de rellenos para mejorar las condiciones del terreno hacia condiciones no agresivas.
Evitar el paso de corrientes por el cobre que se protegerá, sin embargo, esto no es posible de
aplicar en mallas de puesta a tierra cuya función es el paso de corrientes anormales en el sistema.
Sobredimensionamiento del sistema para permitir cierto grado de corrosión; esta solución no
resultaría económica cuando el cobre estará enterrado en terrenos sumamente agresivos.[27]
6.2.3 Corrosión en la malla de puesta a tierra de la Planta Juan Bautista Arismendi.
Tomando en cuenta el estudio de resistividades realizado en el área donde se instalará la malla
de puesta a tierra, se tiene que de las resistividades involucradas cinco valores son mayores a 5
Ω*m y cuatro son menores a este valor. Como se mencionó anteriormente, los terrenos con
resistividades menores a 5 Ω*m son los que suelen ser agresivos contra el cobre.
Sin embargo, el estudio del terreno involucrado indica que la humedad del mismo es de entre 3
a 5,1%, es decir, que el terreno no retiene humedad, lo cual, como se indicó en este capítulo, es
necesario para que exista corrosión en el cobre, y por ende no es necesario tomar medidas para
evitar el fenómeno. [18]
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6.3 Conclusiones
La baja resistividad del terreno donde se instalarán los tanques de almacenamiento de
combustible en la Planta Juan Bautista Arismendi, indican que el suelo es altamente corrosivo,
por lo que existe la necesidad de proteger estas estructuras con protección catódica; por tratarse
de una planta de generación, existe una fuente de corriente de fácil acceso, lo que reduce el costo
de instalación de la protección catódica por corriente impresa. Por otro lado, la alta demanda de
corriente aumenta el costo de la protección catódica por ánodos de sacrificio al ser necesaria una
mayor cantidad de ánodos, por lo que se decidió diseñar el sistema por el método de corriente
impresa.
El diseño sólo toma en cuenta los tanques de almacenamiento de combustible, puesto que en el
documento de criterios de diseño de electricidad se establece que las estructuras a ser protegidas
deben estar aisladas para minimizar la desviación de corriente.
El sistema de protección catódica contará con tres ánodos de referencia para la medición y
control del mismo, adoptando el mismo criterio que en la Planta Luisa Cáceres de Arismendi.
El rectificador de corriente deberá ser capaz de manejar una tensión de 14,53 V y una corriente
de 58.99 A, tomando en cuenta un sobredimensionamiento del 50% de acuerdo a las normas
PDVSA.
La distribución de corriente de diseño presenta un error de 0,4% con respecto a las corrientes
necesarias para la protección de los tanques.
Debido a la baja humedad presente en el suelo de la Planta Juan Bautista Arismendi, el terreno
no es agresivo contra el cobre enterrado, por lo que no se requieren consideraciones especiales
para la protección de la malla de puesta a tierra contra la corrosión.
Los materiales a utilizar para la aplicación de protección catódica a los tanques de
almacenamiento de combustible se muestran en el Anexo 4, la ubicación de los mismos se
encuentran en el plano de protección catódica (Ver Anexo 5).
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CAP TULO 7
Marco teórico sobre sistemas de puesta a tierra
En la segunda parte de este proyecto se diseñará la malla de puesta a tierra de la primera fase de
la Planta Juan Bautista Arismendi, en esta primera fase se instalarán dos unidades
turbogeneradoras GE MS-7001 de 85 MW, el diseño incluirá la puesta a tierra de los tanques,
sistemas de tratamiento de agua y combustible y los demás equipos que se instalarán en el
balance de planta. El plano de ubicación general de equipos se muestra en el Anexo No 6. En
este capítulo se tratarán los conceptos básicos correspondientes a las redes de puesta a tierra y,
más específicamente, a la puesta a tierra de plantas de generación.
7.1 Generalidades
Se entiende por puesta a tierra la conexión eléctrica de un circuito a la masa general de tierra o
a un cuerpo conductor de dimensiones relativamente grandes con respecto al sistema eléctrico
que es considerado.
Un sistema eléctrico puede operar con normalidad sin la necesidad de estar conectado a tierra;
sin embargo, es común conectar dichos sistemas a tierra por las siguientes razones:
La puesta a tierra proporciona una impedancia baja, lo que facilita la operación de las protecciones de falla.
Evitar que los seres vivos que estén presentes en el área de la subestación o en la vecindad
de la misma estén expuestos a potenciales que pongan en riesgo su integridad física.
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Mantener, ante condiciones de falla o sobretensiones (atmosféricas o de maniobra), los
voltajes del sistema dentro de límites razonables que no excedan los voltajes de ruptura de
los aisladores.
Estabilizar los voltajes de fase a tierra disipando cargas electrostáticas generadas poragentes externos (nubes, agua, polvo, entre otros)
Posibilidad de monitorear el aislamiento del sistema.
Proporcionar una plataforma equipotencial
Para cumplir con estas funciones el sistema de puesta a tierra debe poseer una baja impedancia
para evitar que se produzcan voltajes elevados al dispersar la corriente hacia el terreno; en el
interior de las instalaciones también es necesaria una conexión a tierra para el correcto
funcionamiento de equipos, como por ejemplo los equipos electrónicos. El diseño de un sistema
de puesta a tierra está relacionado principalmente con la seguridad, lo primero es establecer
conexiones equipotenciales en todas las estructuras conductoras que pueden ser tocadas por una
persona, así, si estas estructuras son accidentalmente energizadas, se logran minimizar las
diferencias de potencial entre las estructuras, formando una plataforma equipotencial.
La segunda función de los sistemas de puesta a tierra es que al presentarse una falla la corriente pueda retornar a la fuente de una forma controlada, de forma tal que no ocurra daño o lesión a
equipos o personas. La conexión a tierra no será de capacidad infinita ni impedancia nula, pero
ésta debe ser lo suficientemente baja para que la corriente pueda ser detectada por los sistemas de
protección para provocar la actuación de los interruptores o fusibles.[11]
7.2 Selección de los conductores [11]
Dentro de la selección de conductores se incluye tanto la elección del material de la malla detierra como su dimensionamiento (calibre a utilizar), esta selección se debe de realizar tomando
en cuenta algunos factores tales como:
Tener una alta conductividad.
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Tener la capacidad de drenar a tierra la corriente de falla por el tiempo de duración de la
misma sin fundirse.
Ser confiable desde el punto de vista mecánico.
Ser resistente a la corrosión presente en el medio donde será instalado.
Los materiales más comunes usados en mallas de puesta a tierra son:
Cobre: Es un material que combina una excelente conductividad, buena resistencia a la
corrosión, buena maleabilidad y propiedades mecánicas aceptables en un amplio rango de
temperaturas, lo que lo hace el material más comúnmente usado en mallas de puesta a tierra.
Acero recubierto de cobre: Es también uno de los materiales más usados por combinar todas
las buenas características del cobre con la alta resistencia y dureza mecánica del acero, tanto el
cobre como el acero recubierto de cobre presentan la desventaja de acelerar los procesos de
corrosión de las estructuras mecánicas conectadas a ellos por ser el cobre catódico con respecto a
la mayoría de los materiales usados en ellas.
Aluminio: Es un buen conductor de la electricidad y del calor, además se puede aumentar
considerablemente su resistencia mecánica mediante algunas aleaciones y resulta ser más
económico, sin embargo debe ser usado únicamente después de un estudio detallado, ya que no
presenta una buena resistencia a la corrosión, perdiendo sus buenas propiedades conductivas al
ocurrir este fenómeno.
Acero: Presenta excelente resistencia mecánica y dependiendo de su composición puede
presentar una buena conductividad eléctrica, pero requiere especial atención con respecto a la
corrosión necesitando inclusive la consideración del uso de protección catódica.
7.3 Potenciales transferidos [11]
A través de la transferencia de potencial, el voltaje presente de una instalación o parte del
mismo aparece en otra parte de la misma instalación o inclusive en un lugar ajeno a ella. Este
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fenómeno es apreciable en el caso de las fallas a tierra, en donde la malla puede alcanzar un
potencial de miles de voltios. Este potencial puede transferirse a través de tuberías enterradas,
rieles o cualquier otra estructura metálica presente en las cercanías de la instalación, es
importante evitar este fenómeno o al menos controlarlo para asegurar la seguridad de las personas o de los demás seres vivos que estén presentes en las inmediaciones, así como la
integridad de equipos eléctricos y electrónicos.
En la mayoría de los casos los potenciales transferidos no resultan un problema puesto que su
magnitud suele ser baja, sin embargo, pueden afectar y dañar a seres sensibles como los niños y
animales pequeños, o incluso a equipos electrónicos sensibles y malfuncionamiento de equipos
de medición. Estos equipos deben ser protegidos en caso de riesgo de estar sometidos a estos
potenciales, sin embargo, este problema resulta complejo debido a los elevados potenciales que
se presentan en lugares inesperados, el potencial de contacto resulta ser el peligro más común, es
decir, cuando una persona toca un conductor energizado con potenciales transferidos y a la vez
toca un conductor desenergizado, sometiéndose a una gran diferencia de potencial.
En general el potencial de tierra (GPR) puede transferirse de dos maneras, mediante un
conductor unido directamente a la red de tierras o mediante tuberías u objetos metálicos
presentes por el fenómeno de inducción, en este caso será una fracción del GPR la que será
transferida. La mejor forma de evitarlo es conectar todos los elementos metálicos presentes a una
red común de tierra para que la equipotencialidad presente en la malla de tierra esté presente
también en estos objetos.
7.4 Puesta a tierra de plantas de generación [2]
La puesta a tierra de plantas de generación es un tanto complicada ya que combina grandes
espacios externos con múltiples edificios, estructuras enterradas y sus respectivos potenciales
transferidos. En el diseño se deben tomar en cuenta tres aspectos:
-Puesta a tierra del neutro: Esta es necesaria como referencia para el sistema eléctrico, laconexión a tierra del neutro se suele hacer en el punto neutro del generador y los
transformadores.
-Puesta a tierra segura: Se conectan los equipos a tierra para evitar lesiones y daños a las
personas que trabajan o se encuentran en el área de la Planta, estas conexiones son hechas en
equipos que no están energizados pero pueden estarlo bajo condiciones anormales.
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-Puesta a tierra de equipos: Se conectan los equipos y estructuras a tierra para proveer un camino
de retorno de baja impedancia para la corriente de falla, de esta forma, las protecciones de los
equipos pueden detectar la corriente rápidamente y actuar evitando o reduciendo los daños a los
mismos.Las consideraciones a tomar en cuenta para lograr estos tres objetivos son:
Todos los elementos metálicos expuestos que puedan ser accidentalmente energizados
deben ser puestos a tierra.
Las conexiones a tierra deben proporcionar un camino intencional de retorno para que las
corrientes de falla puedan ser censadas por los sistemas de protección.
La puesta a tierra debe limitar las tensiones de toque y de paso a valores aceptables
durante la falla.
Los conductores utilizados deben poder soportar la corriente máxima de falla durante el
periodo máximo de falla sin dañarse.
Los conductores de puesta a tierra deben ser continuos, no debe haber interruptores o
algún otro mecanismo en ellos, exceptuando los casos donde sean necesarios para la
desconexión de las fuentes de alimentación durante una falla.
Los conductores usados deben ser capaces de soportar las cargas mecánicas a las que
serán sometidos.
Se debe minimizar la corrosión a estructuras adyacentes o conectadas al sistema de
puesta a tierra.
La malla de puesta a tierra de la planta debe estar interconectada con la malla de puesta a
tierra de la subestación correspondiente a la misma en múltiples puntos para evitar las
diferencias de potencial en las estructuras que se encuentren entre ellas.
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CAP TULO 8Normativa sobre sistemas de puesta a tierra
Las normas proporcionan los límites de diseño que debe satisfacer un sistema de puesta a tierra
y generalmente formulaciones para realizar los cálculos y una guía práctica detallada, esto
incluye en algunos casos, detalles sobre cómo deben conectarse ciertos equipos o la ubicación de
los electrodos de puesta a tierra. Se presentarán varios lineamientos a tomar en cuenta al diseñar
un sistema de puesta a tierra.Cuando una corriente de falla es drenada a través de un sistema de puesta a tierra, el potencial
de los electrodos y de todos los equipos conectados a él se elevará con respecto al potencial de
tierra, pudiendo alcanzar varios miles de voltios bajo fallas severas, también se elevará el
potencial de la tierra que rodea al electrodo puesto que también circulará corriente por la misma,
el potencial se reducirá progresivamente desde el electrodo hasta alcanzar el potencial real de la
tierra como se muestra en la figura 8.1.
Figura 8.1 Potenciales de contacto, de paso y transferidos en torno a una barra de tierra. [11]
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8.1 Paso de corrientes por el cuerpo humano [1]
Según las normas IEEE el cuerpo humano a frecuencias bajas como las que trabajan los
sistemas eléctricos de potencia, es decir, 50 y 60 Hz, puede ser aproximado como una resistencia.
Dalziel hizo exhaustivas pruebas para determinar las corrientes seguras, estos estudios arrojaron
una resistencia de 2.330 Ohmios mano a mano y 1.130 Ohmios mano a pie, sin embargo, se
recomienda el uso de 1.000 Ohmios, un valor conservativo.
Otros experimentos realizados por Dalziel arrojaron que la corriente que no produce fibrilación
ventricular depende de la cantidad de energía absorbida por el cuerpo humano, obteniendo la
siguiente relación para la corriente máxima, con una duración entre 0,003 y 3 segundos, que no
causa fibrilación ventricular en un 99,5% de los casos[1]:
Ec. 8.1
Donde:
Ic es el valor RMS de la corriente a través del cuerpo en A
t es el tiempo de exposición a esta corriente en seg
Sc es una constante empírica relacionada con el choque eléctrico tolerado por un cierto
porcentaje de la población.
En dichos estudios se encontró una constante k dependiente del peso, esta es, por ejemplo,
0,116 para personas de 50Kg y 0,157 para personas de 70Kg, con esta constante se puede hallar
la corriente máxima que puede ser soportada por el cuerpo humano con la expresión anterior[1].
Ec. 8.2
8.2 Tensiones de toque y paso máximas permisibles:8.2.1 Exposición a tensión de toque [1]
Se calculará un equivalente Thevenin para poder hallar la corriente Ib que es la que circula a
través del cuerpo humano entre los puntos H y F, como se muestra en la Figura 8.2.
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Figura 8.2 Circuito de impedancias de toque [1]
La norma IEEE Std. 80-2000[1] recomienda usar un valor conservativo de Zth=Rf/2.
8.2.2 Exposición a tensión de paso [1]
Figura 8.3 Exposición a tensión de paso [1]
Se calculará un equivalente Thevenin para poder hallar la corriente Ib que es la que circula a
través del cuerpo humano entre los puntos F1 y F2, como muestra la figura 8.4.
Zth
Z sistema
Malla de tierra
Malla
Tierra real
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Figura 8.4 Circuito de tensión de paso [1]
La norma IEEE80-2000[1] recomienda usar un valor conservativo de Zth=2*Rf
Rf es la resistencia eléctrica de un pie ignorando el sistema de tierra en Ω.
Para el análisis de los circuitos se considerará la resistencia de un disco metálico de radio b
como representación de manos y pies, quedando Rf como [1]:
Ec. 8.3
ρ es la resistividad homogénea del terreno en Ω*m
Considerando el radio de esta circunferencia como 0,08 pies y teniendo en cuenta la resistencia
en serie del cuerpo humano quedaría entonces [1]:
Ec.8.4
Rb=Resistencia del cuerpo
Terminal F1
Terminal F2
Zth=2RfVth=Tensión de paso
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Esto para una persona de 50 KG es [1]:
Ec. 8.11
En la figura 8.1 se muestra la reducción del potencial de tierra alrededor de una barra de tierra
única vertical, como se puede ver los gradientes de potencial son mayores en las cercanías de la
barra y se reducen acercándose al punto remoto donde se encuentra el potencial de tierra (punto
de referencia); este gradiente de potencial determina la tensión de paso.
En la tensión de toque o de contacto influye también el hecho de que el potencial de tierra
difiere del sistema de electrodos, esta diferencia depende de la resistividad del suelo y la
profundidad de enterramiento de la malla. Para ambas tensiones se requiere hallar el mayor valor
en un radio de 360º y los valores deben estar por debajo de los considerados como riesgosos.
Que una persona esté expuesta a estos potenciales riesgosos depende de diversos factores,
según la norma IEEE Std80-2000[1], las circunstancias que pueden causar un accidente en una
subestación por una corriente de falla son [1]:
-Corriente de falla relativamente alta con relación al área que ocupa el sistema de puesta a tierra y
con la resistencia a tierra remota
-Resistividad del terreno y distribución de las corrientes de tierra de tal manera que haya altos
gradientes de potencial en la superficie del terreno
-Presencia de un individuo en un punto, tiempo y posición tal que su cuerpo esté en contacto con
dos puntos que presenten una alta diferencia de potencial
-Ausencia de suficiente resistencia de contacto u otras resistencias en serie que limiten la
corriente a través del cuerpo de una persona bajo las tres condiciones anteriores a valores
tolerables
-Duración de la falla y contacto que ocasione un flujo de corriente a través del cuerpo humano por un tiempo suficiente para que esa corriente ocasione daño al cuerpo humano.
Las normas intentan entonces tomar en cuenta estos factores y establecer límites bajo los cuales
el diseño se considera aceptable, el mayor riesgo es que las diferencias entre los potenciales sean
lo suficientemente elevados para provocar fibrilación ventricular del corazón de un ser humano
que esté en contacto con ellas.
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8.4 Puesta a tierra de tanques:
A través de los tanques de agua y combustible no circula energía eléctrica, sin embargo, es
importante proteger estas estructuras en contra de los potenciales transferidos, así como de las
sobretensiones causadas por descargas atmosféricas, las cuales tienen varios efectos [30]:
Efectos térmicos debido al efecto joule, es decir, al calor disipado en los elementos por los que
circula la corriente.
Efectos eléctricos: se producen sobretensiones debido al brusco frente de onda y la alta
impedancia que presentan los sistemas eléctricos a altas frecuencias, también se producen
sobretensiones causadas por inducción en elementos por los que no circula la corriente del rayo.
Efectos mecánicos: puede llegar a destruir los elementos afectados. Efectos acústicos: En el momento de extinción del arco se crea una sobrepresión de aire lo que
origina el sonido.
En este sentido, se califican los equipos y estructuras según su necesidad de protección contra
las descargas atmosféricas en cinco clases, estas son:
Primera clase: Son equipos que necesitan de poca protección, el único requisito que deben
cumplir es que estén conectados a tierra, pertenecen a esta clase [30]:
Estructuras metálicas, exceptuando aquellas que contengan materiales inflamables.
Tanques de agua, silos y estructuras similares que estén construidas mayormente de metal.
Astas de bandera construidas de algún material conductor.
Segunda clase: Se refiere a los edificios con cubierta conductora y estructura no conductora, se
requieren conductores para conectar la cubierta a los electrodos de tierra.
Tercera clase: Consiste en los edificios con estructura metálica y cubierta no conductora, se
requieren terminales aéreas conectadas a la estructura y fuera de la cubierta para actuar como
pararrayos.
Cuarta clase: En esta clase se incluyen los elementos no metálicos que requieren también de
protección como edificios de madera, piedra, ladrillo y otros materiales no conductores o
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chimeneas, las cuales requieren una gran protección con terminales aéreos, cables de bajada y
electrodos de aterrizado.
Quinta clase: Esta clase está
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