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04 de septiembre de 2007 PÁGINA 1 DE 56

COMITÉ DE NORMALIZACIÓN DE PETRÓLEOS MEXICANOS Y ORGANISMOS SUBSIDIARIOS SUBCOMITÉ TÉCNICO DE NORMALIZACIÓN DE PEMEX EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓN

DISEÑO, INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA (Esta norma cancela y sustituye a la NRF-047-PEMEX-2002 de fecha 26 de agosto de 2002)

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CAPÍTULO

DISEÑO, INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA

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PÁGINA

0.

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 4

1.

OBJETIVO ............................................................................................................................................ 4

2.

ALCANCE............................................................................................................................................. 4

3.

CAMPO DE APLICACIÓN ................................................................................................................... 5

4.

ACTUALIZACIÓN ................................................................................................................................ 5

5.

REFERENCIAS .................................................................................................................................... 5

6.

DEFINICIONES .................................................................................................................................... 6

7.

SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS.......................................................................................................... 8

8.

DESARROLLO ..................................................................................................................................... 10

9.

8.1

Tipos de sistemas de protección catódica.................................................................................. 10

8.2

Diseño......................................................................................................................................... 10

8.3

Materiales ................................................................................................................................... 28

8.4

Instalación y pruebas.................................................................................................................. 31

8.5

Inspección y Mantenimiento ....................................................................................................... 35

8.6

Documentación y registros ......................................................................................................... 36

RESPONSABILIDADES..................................................................................................................... 37

10. CONCORDANCIA CON NORMAS MEXICANAS O INTERNACIONALES .................................... 37 11. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 37 12. ANEXOS ............................................................................................................................................... 39

0.

INTRODUCCIÓN

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En las estructuras o tuberías de acero enterradas o sumergidas, existen varias formas de corrosión, producidas por diferentes causas que inciden en el deterioro del metal. Diversos factores afectan sustancialmente el tipo y velocidad de corrosión en una estructura en contacto con el suelo o con los diferentes ambientes que la rodean. Se cuenta con métodos para prevenir y controlar la corrosión, como las barreras físicas, inhibidores de corrosión y los sistemas de protección catódica, éste último consiste en lograr que la estructura funcione como cátodo en una celda de corrosión, mediante la modificación de factores electroquímicos. Debido a que la protección catódica es uno de los sistemas más efectivos para el control de la corrosión exterior de estructuras enterradas o sumergidas, es necesario establecer los requisitos técnicos para su aplicación. Este documento normativo se realizó en atención y cumplimiento a: Ley Federal sobre Metrología y Normalización y su Reglamento. Ley de Obras Públicas y Servicios Relacionados con las Mismas y su Reglamento. Ley de Adquisiciones, Arrendamientos y Servicios del Sector Público y su Reglamento. Ley General de Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente y su Reglamento. Guía para la Emisión de Normas de Referencia de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios (CNPMOS-001, 30 septiembre 2004). En la revisión y actualización de esta norma participaron: PEMEX-Exploración y Producción. Pemex Gas y Petroquímica Básica. Pemex Refinación. Pemex Petroquímica. Petróleos Mexicanos. Participantes externos: Instituto Mexicano del Petróleo Comercializadora Eléctrica y Electrónica Méndez, S.A. de C.V. Protección Catódica Mexicana, S.A. de C.V.

1.

OBJETIVO

Establecer los requisitos técnicos, criterios y metodologías para la contratación de los servicios de diseño, especificación de materiales, instalación y mantenimiento de los sistemas de protección catódica en estructuras enterradas o sumergidas, utilizadas para la explotación, transporte y almacenamiento de hidrocarburos y sus derivados.

2.

ALCANCE

Esta norma incluye los requisitos para el diseño, materiales, instalación, pruebas y mantenimiento de sistemas de protección catódica, a través de ánodos galvánicos o sistemas de corriente impresa, para proteger contra la corrosión a tuberías enterradas (en lecho marino y áreas terrestres) o sumergidas en cuerpos de agua dulce, salobre, marino y para subestructuras de plataformas marinas, muelles, embarcaderos y monoboyas, utilizados

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en las actividades de producción, transporte, distribución, comercialización y procesamiento de hidrocarburos y sus derivados en Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios. Esta norma cancela y sustituye a la NRF-047-PEMEX-2002, Rev. 0 de fecha 26 de agosto de 2002.

3.

CAMPO DE APLICACIÓN

Esta norma de referencia es de aplicación general y observancia obligatoria en la contratación de los servicios de diseño, instalación y mantenimiento de los sistemas de protección catódica que se realicen en los centros de trabajo de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios. Por lo que debe ser incluida en los procedimientos de contratación: licitación pública, invitación a por lo menos tres personas o adjudicación directa, como parte de los requisitos que debe cumplir el proveedor, contratista o licitante.

4.

ACTUALIZACIÓN

Esta norma se debe revisar y en su caso modificar al menos cada 5 años o antes si las sugerencias y recomendaciones de cambio lo ameritan. Las sugerencias para la revisión y actualización de esta norma, deben enviarse al Secretario del Subcomité Técnico de Normalización de PEMEX-Exploración y Producción, quien debe programar y realizar la actualización de acuerdo a la procedencia de las mismas y en su caso, inscribirla dentro del Programa Anual de Normalización de Petróleos Mexicanos, a través del Comité de Normalización de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios. Las propuestas y sugerencias de cambio deben elaborarse en el formato CNPMOS-001-A01 de la Guía para la Emisión de Normas de Referencia CNPMOS-001-A0, Rev. 1 del 30 de septiembre de 2004 y dirigirse a: PEMEX-Exploración y Producción. Coordinación de Normalización. Bahía de Ballenas 5, Edificio “D”, PB., entrada por Bahía del Espíritu Santo s/n. Col. Verónica Anzures, México D. F., C. P. 11 300 Teléfono directo: 1944-9286 Conmutador: 1944-2500 extensión 380-80, Fax: 3-26-54 Correo Electrónico: [email protected]

5.

REFERENCIAS

5.1 ISO 13174:2006.- “Cathodic protection for harbor installations” (Protección catódica para las instalaciones portuarias) 5.2 ISO 15589-1:2004.- “Petroleum and natural gas industries - Cathodic protection of pipeline transportation systems, Part 1: On-Land pipelines”. (Industrias del petróleo y gas natural – Protección catódica a ductos de transporte, parte 1 Ductos terrestres).

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5.3 ISO 15589-2:2004 - “Petroleum and natural gas industries - Cathodic protection of pipeline transportation systems, Part 2: Offshore Pipelines” (Industrias del petróleo y gas natural – Protección catódica a ductos de transporte, parte 2 Ductos marinos). 5.4

NOM-001-SEDE-2005 - “Instalaciones eléctricas (Utilización)”.

5.5

NOM-008-SCFI-2002 - “Sistema general de unidades de medida”.

5.6

NOM-008-SECRE-1999 - “Control de la corrosión exterior en tuberías enterradas y/o sumergidas”.

5.7

NRF-013-PEMEX-2005- “Diseño de líneas submarinas en el Golfo de México”.

5.8

NRF-014-PEMEX-2006 – “Inspección, evaluación y mantenimiento de ductos submarinos”.

5.9

NRF-020-PEMEX-2005 - “Calificación y certificación de soldadores y soldadura”.

5.10 NRF-026-PEMEX-2001 - “Protección con recubrimientos anticorrosivos a tuberías enterradas y/o sumergidas”. 5.11 NRF-030-PEMEX-2006 “Diseño, construcción, inspección y mantenimiento de ductos terrestres para transporte y recolección de hidrocarburos” 5.12

NRF-048-PEMEX-2003 - “Diseño de instalaciones eléctricas en plantas industriales”.

5.13 NRF-053-PEMEX-2006 - “Sistemas de protección instalaciones superficiales”.

anticorrosiva a base de recubrimientos para

5.14 NRF-096-PEMEX-2003 - “Conexiones y accesorios para ductos de recolección y transporte de hidrocarburos”. 5.15

NRF-110-PEMEX-2003 - “Evaluación de ánodos de sacrificio galvánicos de magnesio”.

5.16

NRF-126-PEMEX-2005 - “Ánodos de aluminio”.

6.

DEFINICIONES

Para propósitos de esta norma se establecen las definiciones siguientes: 6.1 Alma del ánodo - Varilla, solera o tubo de acero colocado en el centro del ánodo galvánico, utilizado para la sujeción o fijación del mismo. 6.2 Ánodo - El electrodo de una celda electrolítica en el cual la principal reacción que ocurre es la de oxidación. 6.3 Ánodo galvánico o de sacrificio - Es un metal con potencial normal de oxidación mayor que el de la estructura metálica por proteger, de tal forma, que al emitir corriente de protección se consume. 6.4 Ánodo inerte - Es aquél que no produce corriente eléctrica y su consumo no es directamente proporcional a la corriente de protección.

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6.5 Caída de voltaje IR - Cambio de potencial debido al paso de una corriente eléctrica “I” en un circuito de resistencia “R”. Esta caída debe ser considerada para una interpretación válida en la medición de potenciales en los sistemas de protección catódica. 6.6 Cambio de potencial - Diferencia entre el potencial estructura – medio (electrolito), medido después de suspender la corriente de un sistema de protección catódica y el potencial instantáneo en estado apagado. 6.7 Cátodo - Es el electrodo de una celda electroquímica, en el cual la principal reacción que ocurre es la de reducción. 6.8 Corriente de protección - Es la corriente eléctrica directa, necesaria para obtener los valores de potenciales de protección catódica de una estructura metálica enterrada o sumergida en un electrolito. 6.9 Corrosión - Es la reacción electroquímica de un metal con su ambiente, resultando en un deterioro gradual y progresivo del metal y sus propiedades. Esta especificación se refiere a la corrosión como una acción electroquímica. 6.10 Densidad de corriente - Es la corriente eléctrica directa por unidad de área de superficie de un electrodo, expresada en mili ampere por metro cuadrado. 6.11 Ducto ascendente - Tramo de tubería ascendente que conecta la trampa de diablos o tubería de cubierta con la curva de expansión de la línea regular que se instala en el lecho marino. 6.12 Electrodo de Referencia - Electrodo con potencial estable y reproducible, el cual se usa en la medición de potenciales estructura – medio (electrolito). 6.13 Electrolito - Conductor iónico de corriente eléctrica directa. Se refiere al subsuelo o al agua en contacto con una tubería metálica enterrada o sumergida. 6.14 Factor de daño del recubrimiento (ƒc) - Es el cociente que resulta de dividir la relación de la densidad de corriente requerida para polarizar una superficie metálica de acero recubierta, entre la densidad de corriente de la superficie metálica del acero desnudo. 6.15 Factor de utilización - Es la proporción de material anódico considerada en el diseño, que puede ser consumida en un ánodo. 6.16 Fuente de energía (Rectificador) - Es cualquier dispositivo que permite imprimir gradualmente, la corriente eléctrica necesaria para la protección de una estructura a través de energía eléctrica continua. 6.17 Masa neta total - Es la masa que se requiere para satisfacer la demanda de corriente media, sin considerar la masa adicional del alma o soportes. 6.18 Polarización - Es la magnitud de variación de potencial de circuito abierto de un electrodo, causado por el paso de una corriente eléctrica. 6.19 Poste de señalamiento y registro - Es aquél que indica la trayectoria y localización de las estructuras metálicas por proteger, sirviendo además para medir el potencial de la estructura al electrolito. 6.20 Potencial de estructura-electrolito - Es la diferencia de tensión, entre una estructura metálica enterrada o sumergida y un electrodo de referencia, en contacto con el electrolito.

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6.21 Potencial en estado encendido - Potencial estructura–medio (electrolito), medido con la corriente de protección catódica circulando. 6.22 Potencial de polarización - Potencial estructura–medio (electrolito), medido inmediatamente después de interrumpir las fuentes de energía de protección catódica. Es el potencial real de protección de la estructura. 6.23 Protección catódica - Procedimiento eléctrico para proteger las estructuras metálicas enterradas o sumergidas contra la corrosión exterior, el cual consiste en establecer una diferencia de potencial para que convierta a las estructuras en cátodo, mediante el paso de corriente eléctrica directa proveniente del sistema de protección seleccionado. 6.24 Resistencia (shunt) - Resistencia de valor conocido, la cual permite determinar la corriente eléctrica, mediante la obtención de diferencias de potenciales fijas, cuando es insertada en un circuito que transporta carga eléctrica. 6.25

Resistividad del terreno - Es la resistencia eléctrica específica de un terreno, se expresa en Ω-cm.

6.26 Soldadura por aluminotermia - Procedimiento para soldar conductores eléctricos a estructuras metálicas, consiste de una mezcla pulverizada de óxidos de cobre y aluminio con polvo de arranque, que se activa mediante una chispa, dentro de un molde. Además de lo indicado en el capítulo 6 de esta norma, para otras definiciones aplicables, referirse a la NOM008-SECRE-1999, capítulo 4, NRF-013-PEMEX-2005 y NRF-030-PEMEX-2006.

7.

SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS

A

Ampere

a

Espaciamiento entre electrodos del Método de Wenner para medir resistividad de suelos (cm)

Ag

Plata

Ag/AgCl

Plata-Cloruro de Plata

Al

Aluminio

ASTM

American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales)

AWG

American Wire Gauge (Calibre de Cable Americano).

BS

British Standard (Norma Británica)

o

C CD

Grado Celsius Corriente directa

cm

Centímetro

Cu/CuSO4 Cobre-Sulfato de Cobre

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DNV

Det Norske Veritas (Norma Noruega)

E

Potencial ó diferencia de potencial eléctrico

U

Vida útil material anódico (factor de utilización)

h

Hora

I

Corriente eléctrica

Ic

Valor desconocido de la corriente que circula en un circuito

In

Indio

km

Kilómetro

m

Metro

M

Mega

mA

Miliamperes

NACE

National Association of Corrosion Engineers (Asociación Nacional de Ingenieros en Corrosión).

N.T.N.

Nivel de terreno natural

Porcentaje de IR

Parámetro obtenido en mediciones de gradientes de potencial de corriente directa.

R

Resistencia eléctrica (Ω)

Rs

Valor de la resistencia (shunt) (Ω)

s

Segundo

V

Volt

Vs

Caída de potencial medida entre los extremos de la resistencia (shunt) (V)

Zn

Zinc

ρ

Resistividad (Ω - cm)

Ω

Ohm

ISO 8.

International Organization for Standardization (Organización Internacional para la Estandarización) DESARROLLO

8.1

Tipos de sistemas de protección catódica

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Existen dos tipos de sistemas de protección catódica que pueden utilizarse individualmente o combinados, siendo éstos los siguientes: 8.1.1

Corriente impresa

Este sistema consiste de una fuente de energía y un electrodo auxiliar (ánodo) o grupo de ánodos inertes que integran la cama anódica, situados a la distancia determinada por el diseño de la estructura a proteger, en el cual la corriente fluye del ánodo hacia la estructura. 8.1.2

Ánodos galvánicos (de sacrificio)

Este sistema utiliza como fuente de corriente, la diferencia de potencial entre el material del ánodo y la estructura a proteger. En este sistema, el material de los ánodos se consume dependiendo de la demanda de corriente de protección de la estructura a proteger, la resistividad del electrolito y del material usado como ánodo, durante el proceso de descarga del mismo. 8.2

Diseño

8.2.1

Consideraciones generales

8.2.1.1 Recubrimiento anticorrosivo - Las estructuras metálicas enterradas o sumergidas, con excepción de las subestructuras de las plataformas marinas, deben protegerse con un recubrimiento anticorrosivo con propiedades dieléctricas. Las tuberías nuevas enterradas y/o sumergidas deben recubrirse externamente y protegerse conforme a lo indicado en la NRF-026-PEMEX-2001. En los ductos ascendentes y ejes de las plataformas marinas en la zona de mareas y oleaje, se les debe aplicar un sistema de recubrimiento anticorrosivo de acuerdo con la NRF-053-PEMEX-2005. 8.2.1.2 Aislamiento eléctrico - Los ductos y estructuras metálicas a proteger, deben aislarse eléctricamente a la salida y llegada de las instalaciones de proceso. Cualquier otro tipo de estructuras de metal o de concreto, que formen parte del arreglo de la tubería que transporte el fluido, deben ser consideradas en el diseño del sistema de protección catódica. 8.2.1.3 Criterios para protección catódica – Para proteger catódicamente a las estructuras enterradas o sumergidas, se debe cumplir como mínimo con uno de los criterios indicados a continuación. a)

Un potencial estructura-electrolito (catódico) mínimo de - 0,850 V, de CD, medido respecto de un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4), en contacto con el electrolito en estructuras enterradas. La determinación de este voltaje se debe hacer con la corriente eléctrica aplicada;

b)

Un potencial de protección estructura-electrolito (catódico) de - 0,950 V, medido respecto de un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4), cuando el área circundante de la tubería se encuentre en condiciones anaeróbicas y estén presentes microorganismos asociados al fenómeno de corrosión como las bacterias sulfato-reductoras, para una interpretación válida se debe efectuar la corrección a que haya lugar, debido a la caída de voltaje originada durante la medición.

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c)

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Un cambio de potencial de polarización mínimo de - 0,100 V, medido entre la superficie de la tubería y un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4) en contacto con el electrolito.

El cambio de potencial de polarización se debe determinar interrumpiendo la corriente eléctrica de protección y midiendo el abatimiento de la polarización. Los periodos de suspensión de corriente eléctrica de protección, durante los cuales se puede realizar dicha medición están en el rango de 0,1 a 3,0 segundos. 8.2.1.4 Potencial permisible estructura/electrolito para evitar daño al recubrimiento anticorrosivo - Este valor se debe fijar de acuerdo a las características particulares del recubrimiento anticorrosivo de la tubería, no debe exceder al potencial de desprendimiento catódico o a valores de potencial más negativos que originen desprendimiento del recubrimiento. En caso de no conocerse el valor del potencial permisible, éste no debe ser más negativo de -1.1 V (Cu/CuSO4) en la condición de apagado instantáneo. 8.2.1.5 Consideraciones de diseño - Se debe seleccionar el sistema de protección catódica para cada caso particular, de tal manera que: se proporcione una corriente eléctrica que satisfaga la demanda, se distribuya uniformemente la misma en la estructura por proteger, se eviten interferencias y daños en el recubrimiento anticorrosivo. El diseño del sistema de protección, debe estar en función de la vida útil de la estructura e incluir todos los accesorios metálicos y líneas que vayan a ser conectados eléctricamente al ducto, tales como curvas de expansión, interconexiones, acometidas, entre otras. Los sistemas de protección catódica para ductos terrestres que utilicen ánodos galvánicos, deben usar ánodos de magnesio que cumplan con la NRF-110-PEMEX-2003. Los sistemas de protección catódica para ductos en zonas lacustres que utilicen ánodos galvánicos, pueden utilizar ánodos de zinc que cumplan con esta norma; siempre y cuando su desempeño garantice el cumplimiento de los criterios de protección mediante un estudio previo. Las estructuras y ductos marinos, deben contar con un sistema de protección catódica permanente instalado simultáneamente en la fase de construcción. Deben emplearse ánodos base aluminio que cumplan con la NRF126-PEMEX-2005 o zinc que cumplan con lo indicado en esta norma de referencia y sus respectivas aleaciones sin contenido de mercurio, según se especifique. 8.2.1.6 Información mínima para el diseño de los sistemas de protección catódica en ductos enterrados, lacustres y marinos: a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l)

Planos de trazo y perfil o planos de alineamiento (con coordenadas geográficas UTM) Fecha de construcción. Especificaciones de la tubería, conexiones y otros accesorios. Tipo y calidad del recubrimiento anticorrosivo dieléctrico. Instalaciones adyacentes, cruces entre tuberías e interconexiones. Cruces encamisados. Aislamientos eléctricos. Puenteos eléctricos entre ductos. Requisitos de seguridad. Cruzamientos con vías terrestres y fluviales. Temperatura de operación de la tubería. Sistemas de protección catódica existentes o propuestos.

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m) n) o) p) q) r) s) t) u) v) w) x) y) z)

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Posibles fuentes de interferencia. Condiciones especiales del ambiente. Vida útil del ducto. Estructuras metálicas enterradas vecinas. Accesibilidad a las áreas de trabajo. Disponibilidad de energía eléctrica. Factibilidad de aislamiento eléctrico de las estructuras vecinas. Corrientes de agua. Uso y ocupación del suelo. Pruebas de requerimiento de corriente y número total de puntos de drenaje. Perfil de resistividad del electrolito. Estadística de fallas de la tubería. Perfil de potenciales estructura-electrolito. Análisis físico-químicos y microbiológicos del electrolito.

8.2.1.7 Juntas aislantes - Las juntas aislantes que se utilicen para aislar eléctricamente la estructura a proteger, deben cumplir con lo indicado en 8.6 de la NRF-096-PEMEX-2004. 8.2.1.8 Planos de diseño - Los planos aprobados para construcción se deben elaborar mostrando con detalle y precisión, el sistema de protección catódica y cumplir con la NOM-008-SCFI-2002, así como la especificación de los materiales empleados. La relación de los planos se indica en los anexos 12.2 y 12.3 y deben incluir lo siguiente: a)

Datos de la tubería por proteger, como: diámetro, espesor, tipo de acero, servicio, longitud, estructuras vecinas enterradas o sumergidas, aislamiento eléctrico, espesor y tipo recubrimiento. b) Ubicación del sistema (casetas, camas anódicas, postes de señalamiento, registro y puenteo), mediante posicionamiento en coordenadas geográficas UTM considerando el DATUM WGS84. c) Acceso a las instalaciones. d) Cable y soldadura. e) Número, tipo, peso, espaciamiento y profundidad de ánodos, si van empacados o no. f) Perfil de resistividad del terreno. g) Nombre del (los) propietario(s) del terreno donde se localiza la instalación de protección catódica. h) Capacidad y tipo del rectificador o de la fuente de energía empleada. i) Capacidad de la subestación eléctrica. j) Caseta de protección para el rectificador. k) Cantidad, tipo y ubicación de postes de señalamiento y registro. l) Gráfica para determinar la tierra remota. m) Medición de potenciales a todo lo largo de la tubería antes y después de la instalación del sistema de protección catódica. 8.2.1.9 Información mínima necesaria para el diseño de sistemas de protección catódica para plataformas marinas a) b) c) d) e) f) g) h)

Planos de la subestructura. Requerimientos de seguridad. Vida útil de la plataforma. Tirante de agua y altura de marea. Profundidad del lecho marino, velocidad de corrientes, temperatura y resistividad del lecho marino. Instalaciones vecinas, incluyendo tuberías. Aislamiento eléctrico de otras estructuras metálicas que puedan provocar fugas de corriente eléctrica. Sistemas de protección catódica existentes o propuestos.

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i) j)

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Resistividad del agua. Indicación del eje o pierna donde el ducto ascendente arribará a la plataforma.

8.2.1.10 Muelles, embarcaderos y monoboyas - Para garantizar el buen funcionamiento del sistema de protección catódica, se debe asegurar la continuidad eléctrica de todas las partes metálicas de la estructura. Para el diseño de los sistemas de protección catódica en este tipo de instalaciones, se deben aplicar los requisitos establecidos en la ISO 13174. Los parámetros a considerar en el diseño de protección catódica para muelles y embarcaderos son los siguientes: a) b) c) d) e) f)

Área por proteger. Factor de daño del recubrimiento. Requerimiento de corriente. Selección del tipo de sistema. Disponibilidad de fuentes de energía. Vida útil de la instalación.

Las monoboyas, se deben proteger por medio de ánodos galvánicos. En la selección de la aleación del ánodo, se deben considerar los siguientes parámetros: a) b)

El peso del material anódico, no debe afectar la flotabilidad de la monoboya. Prevención de daño mecánico al ánodo en su instalación, montaje y operación.

8.2.2 Procedimiento de cálculo para el diseño de protección catódica con ánodos galvánicos para ductos terrestres y lacustres Para el diseño de un sistema con ánodos galvánicos se deben considerar los puntos siguientes: a) b) c) d)

Selección del material de los ánodos. Arreglo para la instalación de los ánodos. Propiedades electroquímicas y rendimiento del ánodo indicadas en la tabla 1. Consumo de ánodos de magnesio y zinc (que se establecen en 8.2.2.6).

8.2.2.1 Vida útil - La vida útil del ánodo depende tanto del material como de su peso. Los datos del comportamiento del ánodo instalado, deben usarse para calcular el valor probable de consumo. Para un ánodo con tamaño y masa propuestos, la entrega de corriente debe ser calculada por la siguiente ecuación: I=

Ec − Ea .......................................................................................... (1) Ra

Donde: I = Entrega de corriente del ánodo, en A. Ec = Potencial mínimo de protección, en V (de acuerdo con 8.2.1.3). Ea = Potencial del ánodo, a circuito abierto, en V (ver tabla 1). Ra = Resistencia del ánodo, en Ω. Para el cálculo de la resistencia del ánodo, se debe utilizar la ecuación 32 de esta norma.

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El tiempo de vida del ánodo galvánico, se determina con la expresión: V = C×P×R×

U .................................................................................. (2) I

Donde: C = Capacidad de corriente en A-año/kg. P = Peso del ánodo en kg. R = Rendimiento en porcentaje (tabla 1 de este documento). U = Factor de utilización 0,85. I = Entrega de corriente del ánodo en (A).

Metal anódico

Capacidad corriente teórica (A-año/kg)

Rendimiento (en porcentaje)

Potencial a circuito abierto (V)

Zinc (Zn)

0,094

95

-1.1 vs Cu/CuSO4

Aluminio (Al)

0,340

90

-1.03 vs Ag/AgCl

Magnesio (Mg)

0.251

50

-1.78 vs Cu/CuSO4

Tabla 1 Propiedades electroquímicas de ánodos galvánicos 8.2.2.2 8.2.2.2.1

Corriente de diseño para tuberías enterradas y lacustres Área por proteger A B = fπDL ........................................................................................... (3)

Donde: AB = Área por proteger m2. f = Factor de daño del recubrimiento, ver tabla 3. π = 3,1416 D = Diámetro exterior, en m. L = Longitud, en m. 8.2.2.3

Cálculo de la corriente necesaria I=

A B × Id ............................................................................................. (4) 1000

Donde: I = Demanda de corriente (A) Id = Densidad de corriente en (mA/m²), ver tabla 2.

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8.2.2.4

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Densidades de corriente y factor de daño del recubrimiento

Para la selección de la densidad de corriente de diseño indicada en la tabla 2, deben utilizarse los valores reales de resistividad del suelo. Se pueden utilizar otros valores de densidad de corriente cuando éstos sean determinados a partir de estudios de campo. Resistividad del suelo Ω-cm

Densidad de corriente de diseño mA/m2

> 10 000

11

1 000-10 000

22

< 1 000

35

Notas: 1.-Para líneas operando a temperaturas elevadas, los valores de densidad de corriente se deben incrementar en un porcentaje de 25, por cada 10 ºC que se incremente la temperatura de operación por arriba de los 30°C. 2.-Se deben tomar mediciones de la resistividad del suelo a diferentes profundidades, a fin de localizar la zona de mayor conductividad, en la que deben ser alojados los ánodos.

Tabla 2 Densidades de corriente diseño en mA/m2 La selección del factor de daño dado en la tabla 3, debe hacerse de acuerdo a la vida de diseño y tipo de recubrimiento del ducto. Vida de diseño en años Tipo de recubrimiento 10

20

30

Epóxico adherido por fusión

0,01

0,04

0,09

Epóxico liquido

0,03

0,1

0,3

Tricapa Epoxico-Polietileno

0,001

0,004

0,009

Tricapa Epoxico-Polipropileno

0,001

0,004

0,009

Otros

0,03

0,1

0,3

Tabla 3 Factor (f) de daño por tipo de recubrimiento 8.2.2.5

Cálculo de la masa anódica requerida

W = I × D R × D L ..................................................................................... (5) Donde: W = Peso total de masa anódica requerida, en kg. DR = Consumo del ánodo, en kg/A-año. DL = Vida de diseño del sistema, en años.

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8.2.2.6

8.2.2.7

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Consumo de ánodos Magnesio

8,64 kg/A-año

(19 lb/A-año)

Aluminio

5,45 kg/A-año

(12 lb/A-año)

Zinc

11,3 kg/A-año

(25 lb/A-año)

Cálculo del número de ánodos requeridos N=

W ............................................................................................... (6) WA

Donde: N = Número de ánodos requeridos WA = Peso de cada ánodo, en kg. 8.2.2.8

Espaciamiento entre ánodos S=

L ................................................................................................... (7) N

Donde: S = Espaciamiento, en m. L = Longitud de la tubería por proteger, en m. N = Número de ánodos requeridos. 8.2.2.9

Separación máxima de ánodos

Ductos terrestres y lacustres

0,304 m (12 pulg) D N y menores:

152,4 m

0,304 m (12 pulg) D N y mayores:

304,8 m

8.2.2.10 Separación entre la estructura por proteger y los ánodos – La separación de los ánodos a la estructura por proteger debe ser de al menos 4,5 metros. 8.2.2.11 Distribución de ánodos – La cantidad determinada de ánodos de sacrificio, debe tener una distribución uniforme, es decir que la longitud total del ducto se divide entre la cantidad de ánodos calculada, con lo que se obtiene la separación entre ánodos, sin exceder lo indicado en 8.2.2.9 de esta norma. 8.2.3

Cálculo para el diseño de la protección catódica con ánodos galvánicos para ductos marinos

En agua de mar, deben emplearse ánodos base aluminio o zinc y sus respectivas aleaciones sin contenido de mercurio, según se especifique y el diseño de la protección catódica comprende los siguientes pasos. 8.2.3.1 Area exterior superficial de la tubería a proteger – Se debe calcular el área de la superficie exterior de la tubería a proteger.

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Los accesorios que se vayan a conectar eléctricamente al ducto, tales como ductos ascendentes, curvas de expansión, interconexiones submarinas, deben incluirse en los cálculos del área. 8.2.3.2 Cálculo de demanda de corriente – La demanda de corriente media (Icm) y la demanda de corriente final (Icf) se deben calcular por separado en función del área externa del ducto, de acuerdo con la siguiente ecuación y considerar el tipo de recubrimiento para la selección del factor de daño. Ic = A c f c i c ............................................................................................. (8)

Donde: Ic = Demanda de corriente para una sección especifica del ducto, en A. Ac = Área total de la superficie de una sección especifica del ducto, en m². fc = Factor de daño del recubrimiento, calculado a condición media. Ic = Densidad de corriente, en A/m², seleccionada a condición media. Los factores de daño del recubrimiento (fc) consideran en forma anticipada la reducción de la densidad de corriente de protección, debido a la aplicación de un recubrimiento aislante con características dieléctricas. Cuando fc = 0 el recubrimiento es 100 porcentaje eléctricamente aislante, cuando fc = 1 implica que el recubrimiento no tiene las propiedades de protección y la densidad de corriente catódica de una superficie recubierta, es la misma que para una superficie de acero desnuda. Para propósitos de diseño de la protección catódica, los factores de daño a condición media del recubrimiento (fc) y final (ff), se deben calcular considerando la vida útil de diseño (tdl) del sistema: El factor de daño a condición media del recubrimiento fc, está dado por la siguiente ecuación. f c = fi + (0,5 ∆f t dl ) ................................................................................ (9)

El factor de daño a condición final del recubrimiento ff, está dado por la siguiente ecuación. f f = fi + ( ∆f t dl ) ...................................................................................... (10)

Donde: fi = Factor de daño inicial en el recubrimiento al inicio de la operación del ducto. ∆f = Incremento promedio anual del factor de daño en el recubrimiento. Tdl = Vida de diseño, expresada en años. Los parámetros para el cálculo de los factores de daño a condición media y final del recubrimiento, se muestran en la tabla 4 (fi y ∆f), éstos aplican para calcular la demanda de corriente del ducto recubierto, durante y al final de la vida de diseño, respectivamente. Los factores de daño indicados en la tabla 4 son mínimos, no consideran daños mayores al recubrimiento que generalmente se presentan durante la aplicación o instalación o daños producidos por terceros durante la operación (por ejemplo, rayones producidos por cables de anclas), los cuales deben ser indicados en las bases de diseño. En caso de que las bases de diseño no lo indiquen, tales daños se deben prever incrementando proporcionalmente el factor de daño inicial (fi) hasta un 3% adicional al valor establecido en la tabla 4.

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Tipo de recubrimiento

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Factor fi

∆f

Epóxico en polvo adherido por fusión (FBE)

0,020

0,001

-Polietileno extruído tricapa (incluye primario FBE) polietileno (PE) y polipropileno (PP).

0,005

0,0002

0.020

0.0001

-Cintas o mangas termocontráctiles Otro tipo de recubrimientos

Nota: Los factores de daño en el recubrimiento, están referidos a ductos expuestos en agua de mar y enterrados en el lecho marino.

Tabla 4 Factores de daño en recubrimientos anticorrosivos Los parámetros de la densidad de corriente de protección que deben considerarse son: a) b) c)

Inicial, se refiere a la densidad de corriente eléctrica inicial requerida para polarizar el ducto dentro de los dos primeros meses de operación de la protección catódica. Media, se refiere a la densidad de corriente necesaria para mantener la polarización de la tubería durante su vida de diseño. Final, es la densidad de corriente eléctrica necesaria para una eventual repolarización del ducto, que puede ocurrir por ejemplo, después de una fuerte tormenta.

Para la selección de la densidad de corriente de diseño indicada en la tabla 5, deben utilizarse los valores de temperatura de operación y condición de exposición del ducto. Para ductos ascendentes en la zona de mareas y oleaje, la densidad de corriente debe ser igual a la densidad de corriente del ducto marino (línea regular) más 0,01 A/m². Condición

Temperatura de operación del ducto (oC)

de < 50

50 - 80

80 - 120

> 120

Sumergido en agua de mar

0,05

0,06

0,07

0,13

Enterrado en lecho marino

0,02

0,025

0,03

0,04

exposición

Tabla 5 Densidad de corriente a condición media en A/m2 Se debe considerar como sumergido en agua de mar, al ducto ascendente y aquel que está instalado sobre el lecho marino.

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8.2.3.3 Cálculo de la masa anódica - La masa neta total anódica requerida para mantener la protección catódica a lo largo de la vida de diseño, debe calcularse, para cada sección de la tubería, de acuerdo con la siguiente ecuación. W=

Icm t dl 8760 ................................................................................. (11) uε

Donde: W = Masa neta total anódica en kg para una sección especifica del ducto. Icm = Demanda de corriente media en A, para una sección especifica del ducto. tdl = Vida de diseño, en años. La protección catódica debe calcularse para cubrir todo el periodo de diseño de la instalación. ε = Capacidad electroquímica del material del ánodo, en A-h/kg. Para propósitos de diseño, los valores de este parámetro electroquímico se indican en la tabla 6. u = Factor de utilización del ánodo. Los ánodos de brazalete tipo medias cañas, deben diseñarse de manera que se logre un factor de utilización (u) de por lo menos 0,80 y los ánodos de brazalete tipo segmentado su factor debe ser al menos de 0,75. 8.2.3.4 Cálculo del número de ánodos - La cantidad, dimensiones y la masa neta, deben determinarse para satisfacer los requerimientos de corriente a condiciones media y final del ducto. Las dimensiones y masa neta final de un ánodo, deben optimizarse realizando varias iteraciones con el uso de la siguiente formula: W = n Wa ............................................................................................ (12)

Donde: n = Número de ánodos a ser instalados en una sección especifica del ducto. W = Masa neta total del ánodo, en kg para una sección especifica del ducto. Wa = Masa neta individual del ánodo, en kg. La separación máxima entre ánodos, no debe ser mayor a 200,00 m. La corriente de salida de un ánodo requerida al final de la vida de diseño (If), debe calcularse con la siguiente ecuación. Se debe considerar la disminución del espesor del ánodo para la condición final. If =

Icf .................................................................................................. (13) n

Donde: = Corriente de salida requerida de un ánodo, al final de la vida de diseño, en A. If Icf = Demanda total de corriente para la protección de una sección especifica del ducto, al final de la vida de diseño, en A. n = Número de ánodos a instalarse en una sección especifica del ducto.

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Inmerso en agua de mar

Tipo de ánodo

Temperatura de operación a del ducto o

C

Aluminio

Potencial del ánodo vs Ag/AgCl en agua de mar mV

Capacidad electroquímica ε A·h/kg

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Enterrado en el lecho marino Potencial del ánodo vs Ag/AgCl en agua de mar mV

Capacidad electroquímica ε A·h/kg

≤ 30

-1 050

2 500

-1 000

2 000

60

-1 050

2 000

-1 000

850

80b

-1 000

900

-1 000

400

Notas: a Para temperaturas entre los límites establecidos, la capacidad de corriente se debe interpolar.

Tabla 6 Valores electroquímicos de diseño para ánodos galvánicos de aluminio (Aleaciones Aluminio-Zinc-Indio) Para un ánodo con tamaño y masa propuestos, la corriente de salida (real) actual de un ánodo al final de la vida de diseño (Iaf), debe ser calculada por la siguiente ecuación: Iaf =

Ec − Ea ......................................................................................... (14) Ra

Donde: Iaf = Corriente de salida actual (real) de un ánodo requerida al final de la vida de diseño, en A. Ec = Potencial de diseño permisible para protección, expresado en V. El potencial mínimo y máximo de protección del ducto/suelo marino, debe ser -0,900 V y -1,100 V de CD respectivamente, con referencia a la celda de plata/cloruro de plata, cuando el ambiente circundante del ducto es anaeróbico. Se utiliza el criterio de protección catódica de -0,800 V de CD con respecto a la celda de referencia de plata/cloruro de plata, para una estructura de acero al carbono enterrada o sumergida, para la condición de ausencia de bacterias anaeróbicas. Ea = Potencial del ánodo a circuito abierto, expresado en V. Para propósitos de diseño con ánodos galvánicos de aluminio, los valores de este parámetro electroquímico se indican en la tabla 6, de este documento, en función de la temperatura y medio de operación de los ductos o subestructura de la plataforma. Ra = Resistencia del ánodo, en Ω. Para el cálculo de la resistencia del ánodo en agua de mar al final de la vida de diseño, se debe tomar en cuenta el factor de utilización. Nota: Ec – Ea se refieren al diferencial del potencial (V).

Para proporcionar la demanda de corriente, la corriente de salida actual (real) del ánodo, debe ser mayor o igual a la corriente de salida requerida: Iaf ≥ If..................................................................................................... (15)

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8.2.3.5 Resistencia del ánodo - La resistencia de un ánodo de brazalete está en función de su geometría original (sin desgaste) y de la resistividad de agua de mar o suelo (para el caso de ductos enterrados), para su cálculo debe usarse la siguiente fórmula: Ra =

0,315 ρ A

....................................................................................... (16)

Donde: Ra = Resistencia del ánodo, en Ω. ρ = Resistividad del agua de mar o suelo, en Ω-cm. A = Área de la superficie expuesta del ánodo, en m². Los siguientes valores de resistividad del agua de mar y del suelo marino deben ser considerados: a) b)

Resistividad del agua de mar: 17 Ω-cm Resistividad del lodo marino: 35 Ω-cm

8.2.3.6 Cálculo de la vida útil de los ánodos - Se debe verificar que la vida útil de los ánodos galvánicos sea igual o mayor a la vida de diseño del ducto, usando la siguiente ecuación. L=

Wu .............................................................................................. (17) E Icm

Donde: L = Vida útil de los ánodos, en años. W = Masa neta de los ánodos, en kg. u = Factor de utilización del ánodo E = Consumo del ánodo, en kg/A-año. Icm = Demanda de corriente media, en A. 8.2.4 Diseño de la protección catódica con ánodos galvánicos para la subestructura de una plataforma marina El diseño de la protección catódica comprende los siguientes pasos. 8.2.4.1 a) b)

División de la subestructura - Se debe dividir en las siguientes zonas: Sumergida en agua de mar (incluye zona de mareas y oleaje). Enterrada en suelo marino.

8.2.4.2 Cálculo de áreas - Para cada una de las zonas en que se divide la subestructura, se debe realizar el cálculo de la superficie externa de los miembros tubulares que componen dichas zonas, considerando las longitudes a paños entre elementos tubulares y piernas o ejes de la subestructura. 8.2.4.3 Demanda de corriente - La corriente eléctrica de diseño que el sistema de protección catódica debe entregar para polarizar el área externa de los siguientes componentes, se debe calcular como se indica a continuación: a) b)

Elementos tubulares sumergidos en el agua de mar. Pilotes, piernas y conductores localizados por debajo de la línea de lodos.

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c) d) e)

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El área desnuda parcial de las tuberías de revestimiento de los pozos. Tomas de agua de mar de bombas de contra incendio y servicios. Plantillas de pozos y placa base de la subestructura de la plataforma.

En la tabla 7, se presentan los valores de densidades de corriente que deben considerarse en los diseños de protección catódica de las partes antes mencionadas, que conforman la subestructura de las plataformas marinas, estos valores corresponden a la densidad de corriente inicial, media y final.

Lugar

Golfo de México

Densidad de corriente 2 (A/m )

Condición

inicial

media

final

0,11

0,055

0,075

En agua de mar

0,03

0,02

0,01

En lecho marino

Tabla 7 Densidades de corriente en A/m2, para el diseño de protección catódica en plataformas marinas Debe incluirse la corriente de diseño requerida por las tuberías de revestimiento de los pozos localizadas por debajo de la línea de lodos. Así mismo, se debe considerar corriente adicional para los pilotes localizados por debajo de la línea de lodos, los valores a considerar por pilote y por tubería de revestimiento por pozo, se deben calcular de acuerdo con la siguiente formula: Ic = A c fc i c ........................................................................................... (17)

Donde: Ic = Demanda de corriente para cada una de las zonas de la subestructura, en A. Ac = Área externa de cada una de las zonas de la subestructura, en m². fc = Factor de daño del recubrimiento, solo para el caso de la zona de mareas y oleaje. ic = Densidad de corriente para la condición inicial, media y final, en mA/m². Nota: Dichos valores deben estar en el rango de 1,5 a 5,0 A.

Para el caso de la zona sumergida, se debe considerar la demanda de corriente para el área externa de cada uno de los conductores de los pozos en contacto con el agua de mar. También, se debe considerar el área sumergida de camisas de succión de bombas, atracaderos, defensas y abrazaderas de ductos ascendentes. 8.2.4.4 Selección de las características de los ánodos de sacrificio - Como una primera aproximación, se seleccionan las características de un ánodo como son; longitud, sección transversal, masa neta, capacidad de corriente, potencial a circuito cerrado (ánodo-agua de mar). Para el caso de las plataformas marinas, en cuales se utilizan ánodos de sección trapezoidal, se debe calcular un radio equivalente utilizando la siguiente ecuación: ⎛c⎞ r = ⎜ ⎟π .............................................................................................. (18) ⎝2⎠

Donde: c = Perímetro de la sección transversal del ánodo en cm.

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8.2.4.5 Corriente de salida del ánodo - La corriente de salida por ánodo, cuando la subestructura ha sido instalada en el sitio (condición inicial), se debe considerar de acuerdo con: I=

E R

(Ley de Ohm) .......................................................................... (19)

Donde: I = Corriente de salida de un ánodo, en A. R = Resistencia de ánodo-electrolito, en Ω. E = Diferencial de potencial, en V. 8.2.4.6

Cálculo de la resistencia inicial del ánodo

La resistencia del ánodo está en función de su geometría original y de la resistividad del agua de mar o del suelo, y se calcula con la siguiente formula: R

a

=

⎞ 0 . 159 ρ ⎛ ⎛ 4L ⎞ ⎜⎜ 2 . 3 Log ⎜ ⎟ − 1 ⎟⎟ L r ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

....................................................... (20)

Donde: Ra = Resistencia del ánodo, en Ω. ρ = Resistividad del electrolito (agua de mar), en Ω-cm. L = Longitud del ánodo, en cm. r = Radio equivalente del ánodo, en cm. Para los valores de resistividad del agua de mar, deben considerarse los indicados en 8.2.3.5. Mientras que el diferencial de potencial, se calcula por: E = Ec – Ea ........................................................................................... (21) Donde: E = Diferencial de potencial. Ec = Potencial de protección permisible. Ea = Potencial del ánodo, a circuito abierto. La corriente inicial de salida de un ánodo, se calcula con: Ia =

Ec − Ea ........................................................................................... (22) Ra

8.2.4.7 Número de ánodos requeridos por corriente inicial - Una vez que se conocen, la demanda y la salida de corriente iniciales de un ánodo, se puede obtener el número de ánodos requeridos a partir de la siguiente expresión: N =

Ii I a .................................................................................................. (23)

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Donde: N = Número de ánodos requeridos por corriente inicial. Ii = Demanda de corriente inicial, en A. Ia = Corriente de salida de un ánodo, en A. 8.2.4.8 Determinación del número de ánodos por masa para condición media - Para determinar el número de ánodos para satisfacer la condición de demanda de corriente media, se determina el número de ánodos con la siguiente formula: Nm =

ICM L 8760 ...................................................................................... (24) εw

Donde: Nm = Número de ánodos. ICM = Demanda media de corriente, en A. L = Vida de diseño, en años. ε = Capacidad de corriente del ánodo, en A-h/kg. w = Peso del ánodo seleccionado. 8.2.4.9 Determinación del número de ánodos para condición final - El número de ánodos para satisfacer la demanda de corriente final, se determina de manera similar que para la condición inicial, excepto que para calcular la resistencia del ánodo se utiliza el radio reducido (rconsumido) por el desgaste del ánodo al final de su vida útil, empleando la siguiente ecuación: rconsumido = rinicial – (rinicial – r alma) U....................................................... (25) El número de ánodos requeridos para la condición de corriente final se calcula como: N =

If .................................................................................................. (26) Ia

Donde: N = Número de ánodos requeridos por corriente final. If = Demanda de corriente final, en A. Ia = Corriente de salida de un ánodo, A. Aplicando la misma secuencia de los conceptos de 8.2.4.2 al 8.2.4.8 de este documento, se determina el número de ánodos para zona enterrada en suelo marino, para la condición de demanda de corriente inicial, media y final tomando en consideración lo siguiente: Mientras que para el caso de los pilotes y placa base (área de ambas caras de la placa), se debe considerar su área externa multiplicada por las densidades de corriente, para el acero desnudo enterrado bajo el fondo del mar, conforme a los valores de las densidades de corriente indicados en la tabla 7 de este documento. 8.2.4.10 Factores de daño del recubrimiento - El sistema de protección catódica para la zona de mareas y oleaje, debe proteger las áreas no cubiertas por el sistema de recubrimiento anticorrosivo. Se debe considerar un factor de daño del recubrimiento debido principalmente a daños mecánicos a la estructura y a una velocidad de deterioro del recubrimiento a consecuencia de los efectos de la erosión del oleaje sobre el recubrimiento.

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El factor de daño del recubrimiento está en función de las propiedades del recubrimiento, de los parámetros operacionales y del tiempo. El resultado de la densidad de corriente eléctrica para la protección de aceros recubiertos en la zona de mareas y oleaje, es por consiguiente igual al producto de la densidad de corriente eléctrica para el acero desnudo y el factor de daño del recubrimiento. Para propósitos de diseño de la protección catódica en la zona de mareas y oleaje, el factor de daño medio y final es calculado con las siguientes expresiones, las cuales involucran la vida de diseño de la plataforma. f c (promedio ) = k 1 +

k 2T ...................................................................... (27) 2

f c ( final) = k 1 + k 2 T ................................................................................ (28)

Donde: k1 = 0,02 k2 = 0,015 T = Vida de diseño de la plataforma. Considerando los valores de k1 y k2 indicados y tomando una vida útil de 20 años, los factores de daño del recubrimiento, deben ser como mínimo los siguientes valores: fi (inicial) = 5 porcentaje fc (promedio) = 17 porcentaje ff (final) = 30 porcentaje 8.2.4.11 Cálculo de la vida útil de los ánodos - Se debe verificar que la vida útil de los ánodos galvánicos sea igual o mayor a la vida de diseño de la estructura. La vida útil del sistema puede calcularse con la siguiente expresión: L=

W U E Im

................................................................................................ (29)

Donde: L = Vida útil de ánodos, en años. W = Masa de ánodos, en kg. U = Factor de utilización del ánodo 0.85. Im = Requerimiento de corriente media, en A. E = Rango de consumo de material anódico, en kg/ A-año. 8.2.4.12 Determinación del número optimo de ánodos - Una vez determinado el número de ánodos para las condiciones: Inicial, media y final, se procede mediante iteraciones (variando las dimensiones del ánodo propuesto y verificando su capacidad de corriente y potencial) a determinar el número de ánodos; de tal manera que los resultados para las tres condiciones anteriores, tiendan a ser iguales. 8.2.4.13 Distribución de ánodos - Los ánodos de sacrificio tienen un radio de acción dentro del cual la protección de la estructura es eficiente, por esta razón una vez calculado el número de ánodos, es necesario repartirlos en la estructura, de manera que se tenga una distribución uniforme y simétrica, se deben colocar ánodos en la cercanía de la zona de conductores y placa base, ver figura 12.1.11 y 12.1.12 de este documento.

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8.2.5

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Procedimiento de cálculo para el diseño de protección catódica con corriente impresa.

Para el diseño de un sistema de corriente impresa, se deben considerar los puntos siguientes: Selección de la capacidad de la fuente de energía, la intensidad de corriente es un dato conocido, pues se refiere a la corriente de protección que se ha determinado, por lo general, mediante pruebas de requerimiento de corriente o considerando los valores de la tabla 2. 8.2.5.1 Tensión de salida en el rectificador - El voltaje de salida en el rectificador se calcula con la ecuación: V = R t × I .............................................................................................. (30)

Donde: V = Voltaje (CD) de salida del rectificador, (V). Rt = Resistencia total del circuito, (Ω) I = Intensidad de corriente requerida,(A). La resistencia total del circuito, Rt es igual a:

R t = R c + R e + R g ó R h ......................................................................... (31) Donde: Rc = Resistencia de los cables del circuito, se calcula conociendo el calibre y longitud de los cables. Re = Resistencia de contacto a tierra de la estructura por proteger. Su valor puede obtenerse directamente en campo y es igual al cambio de potencial en la estructura, obtenido con la corriente de prueba, dividido entre dicha corriente. Rg = Resistencia del dispositivo de tierra o cama anódica, puede ser Rv o Rh y es la que tiene mayor influencia en el valor de Rt. 8.2.5.2

Resistencia de un ánodo en posición vertical con relleno Rv =

0.00159ρ ⎛ 8L ⎞ − 1⎟ ............................................................ (32) ⎜ 2.3 log L d ⎝ ⎠

Donde: Rv = Resistencia de un ánodo vertical a tierra, en Ω ρ = Resistividad del suelo o material de relleno, en Ω-cm. L = Longitud del ánodo, m. d = Diámetro del ánodo, en m. 8.2.5.3

Resistencia de varios ánodos en posición vertical

Rv =

2L 8L 0.00159ρ ⎛ ⎞ − 1+ 2.3 log 0.656N ⎟ ...................................... (33) ⎜ 2.3 log S d NL ⎝ ⎠

Donde: Rv = Resistencia de la cama anódica en posición vertical, conectados en paralelo, en Ω. ρ = Resistividad del suelo o material de relleno, en Ω-cm. L = Longitud del ánodo, en m. d = Diámetro del ánodo, en m.

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S = Espaciamiento entre ánodos, en m. N = Número de ánodos en paralelo. Nota.-Se deben tomar mediciones de la resistividad del suelo a diferentes profundidades, a fin de localizar la zona de mayor conductividad, en la que deben ser alojados los ánodos.

8.2.5.4

Resistencia de un ánodo en posición horizontal Rh =

0.0015ρ 4L2 + 4L S 2 + L2 S S 2 + L2 2.3 log + − − 1 ................................... (34) L dS L L

Donde: Rh = Resistencia de la cama anódica en posición horizontal, conectados en paralelo, en Ω S = Dos veces la profundidad del ánodo, en m. ρ = Resistividad del material de relleno o del terreno donde se alojara el ánodo, en Ω-cm. L = Longitud del ánodo, en m. d = Diámetro del ánodo, en m. Nota.-Se deben tomar mediciones de la resistividad del suelo a diferentes profundidades, a fin de localizar la zona de mayor conductividad, en la que deben ser alojados los ánodos.

8.2.5.5

Separación entre la estructura por proteger y los ánodos

La separación de los ánodos a la estructura por proteger, debe ser una distancia eléctricamente remota o tierra remota. Esta distancia puede determinarse con una serie de lecturas entre la estructura por proteger y una media celda de Cu/CuSO4 tomadas a intervalos conocidos alejándose de la estructura. En el punto donde ya no se tengan cambios significativos en el potencial, se considera como tierra remota. A menos de que existan causas de fuerza mayor, esta distancia no debe ser menor de 50 m. 8.2.5.6

Capacidad del transformador

La capacidad del transformador se calcula con la siguiente ecuación:

C=

V . I (kVA ) .................................................................................. (35) 1000

Donde: C = Capacidad del transformador, (kVA). I = Intensidad de corriente (CD) del rectificador (A). V = Voltaje (CD) del rectificador (V). 8.2.5.7 Caseta - La fuente de energía seleccionada para un sistema de protección catódica, por seguridad, debe contar con una caseta de protección y sus características las debe marcar el proyecto. 8.2.5.8 Subestación eléctrica - Se debe seleccionar, considerando las características de la línea de distribución eléctrica más cercana a la estructura por proteger.

El diseño debe cumplir con 8.4.1 y 8.6.1 de la NRF-048-PEMEX-2003. El diseño de los sistemas de conexión a tierra debe cumplir con la NRF-070-PEMEX-2004

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Una subestación eléctrica tipo poste consiste básicamente de: a) b) c) d) e) f) 8.2.5.9

a) b) c) d) e) f) 8.3

Transformador. Corta circuitos fusibles de potencia. Apartarrayos. Sistema de tierras. Herrajes y cables. Poste. El sistema en baja tensión debe contar con: Acometida Interruptor termo magnético Apartarrayos Sistema de tierra del rectificador. Equipo de monitoreo (horómetro) y registro continuo local, de condiciones de operación. Rectificador Materiales

Los materiales usados en los sistemas de protección catódica, deben cumplir con las especificaciones que aquí se indican y con los establecidos en los documentos normativos referidos o citados en esta norma. 8.3.1

Almacenamiento y transporte

Los materiales usados deben ser almacenados a cubierto. En lugares donde el tránsito de personas y vehículos sea mínimo para reducir la posibilidad de daños y donde no puedan ser contaminados por sustancias, que alteren sus condiciones de aplicación. 8.3.2

Materiales para sistemas de ánodos galvánicos

En sistemas de ánodos galvánicos en tierra, se debe usar un material de relleno (ver tabla 8) con las características que a continuación se indica. Material

Peso en porcentaje

Yeso seco en polvo

75

Bentonita seca en polvo

20

Sulfato de sodio anhidro

5

Agua para saturar la mezcla

-

Cantidad de relleno por ánodo: Peso del ánodo

Cantidad de relleno

kg

(lbs)

kg

(lbs)

7,72

(17)

13,62

30

14,53

(32)

15,89

35

21,79

(48)

23,61

52

Tabla 8 Características del material de relleno para ánodos galvánicos

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8.3.2.1 Ánodos de magnesio - Los ánodos de magnesio usados en sistemas de protección catódica con ánodos galvánicos, deben de cumplir con la NRF-110-PEMEX-2003.

El conductor soldado al ánodo debe ser de cobre electrolítico, sólido (alambre), calibre 12 AWG, con aislamiento de doble forro de polietileno negro de alto peso molecular para 600 V, 75 °C y cubierta negra de PVC. 8.3.2.2 Ánodos de zinc - La composición química de los ánodos de zinc (ver tabla 9), usados en sistemas de protección catódica con ánodos galvánicos, debe de cumplir con lo indicado para una aleación tipo II en la tabla 1 de la especificación ASTM B 418-01, o equivalente, con la exactitud para el zinc que aquí se indica.

a)

Composición química: Elemento

Contenido

Aluminio (Al)

0,005 máx.

Cadmio (Cd)

0,003 máx.

Hierro (Fe)

0,0014 máx.

Plomo (Pb)

0,003 máx.

Cobre (Cu)

0,002 máx.

Zinc (Zn)

Mínimo 99,9856

Tabla 9 Composición química de ánodos de zinc (Valores en porcentaje en peso)

Las propiedades electroquímicas de los ánodos de Zinc deben de cumplir con lo que se indica a continuación, ver tabla 10. b)

Propiedades electroquímicas. Propiedad

Valor

Eficiencia

95 % Mínimo

Potencial

-1,10 V (Cu/CuSO4) (máx.)

Capacidad de drenaje de corriente

780 A-h/kg (mín).

Tabla 10 Propiedades electroquímicas de ánodos de zinc 8.3.2.3 Ánodos de aluminio - Los ánodos de aluminio usados en sistemas de protección catódica con ánodos galvánicos, deben de cumplir con la NRF-126-PEMEX-2005. 8.3.3

Materiales para sistemas de corriente impresa

Relleno para ánodos inertes - En estos casos se usa como material de relleno carbón de coque pulverizado. Siempre que se justifique, se puede utilizar materiales diferentes o nuevas tecnologías que demuestren

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proporcionar al ánodo mejores condiciones para su operación y seguridad, en los diferentes medios contemplados en esta norma. 8.3.3.1 Ánodos de ferro-silicio-cromo - La composición química de los ánodos de ferro-silicio-cromo ver tabla 11, usados en sistemas de protección catódica con corriente impresa, debe de cumplir con lo indicado para una aleación grado 3 en la tabla 1 de la especificación ASTM A518/A 518M-99, o equivalentes. Esta composición química se indica a continuación.

a)

Composición química: Elemento

Contenido

Carbón (C)

0,70 – 1,10

Manganeso (Mn)

1,50 máx.

Silicio (Si)

14,20 – 14,75

Cromo (Cr)

3,25 – 5,00

Molibdeno (Mo)

0,20 máx.

Cobre (Cu)

0,50 máx.

Hierro (Fe)

76.95 – 81.85

Tabla 11 Composición química de ánodos de ferro-silicio-cromo (valores de peso en porcentaje)

Las propiedades de los ánodos de ferro-silicio-cromo ver tabla 12, deben cumplir con lo que se indica a continuación.

b)

Propiedades: Propiedad

Valor

Peso específico

7000 kg/m3 ± 0,5%

Consumo aproximado

0,25 – 1 kg/A-año

Densidad de corriente máxima recomendada (A/m2)

Suelo

60

Tabla 12 Propiedades de ánodos de ferro-silicio-cromo 8.3.3.2 Ánodos de grafito - La composición química y propiedades de los ánodos de grafito ver tabla 13, usados en sistemas de protección catódica con corriente impresa, deben de cumplir con lo indicado a continuación.

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a)

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Composición química: Elemento

Contenido

Impregnante

6,6 máx.

Ceniza

1,5 máx.

Humedad y volátiles

0,5 máx.

Materia soluble en agua

1,0

Grafito

90,4 Mínimo

Tabla 13 Composición química de ánodos de grafito (Valores en porcentaje en peso)

b)

Propiedades: Propiedad

Valor

Peso específico

1560 kg/m3 Mínimo

Consumo

0,1 – 1 kg/A-año

Densidad de corriente máxima recomendada (A/m2)

Suelo

10

Tabla 14 Propiedades de los ánodos de grafito

Los ánodos de grafito deben ser tratados con ceras o resina fenólica y con conexión al centro. Conductores eléctricos - Los calibres y tipos de forro de los conductores eléctricos que intervienen en un sistema de protección catódica, deben seleccionarse de acuerdo a la resistencia y capacidad de conducción de corriente, que requieran. El tipo de aislamiento de los cables anódico y catódico deben ser de doble forro de polietileno negro de alto peso molecular tipo HMWPE con aislamiento mínimo de 600 V y una cubierta de PVC negra. 8.4

Instalación y pruebas

La figura 12.1.6 muestra un arreglo típico de un sistema de protección terrestre a base de ánodos galvánicos. 8.4.1 8.4.1.1

a) b) c)

Instalación para sistemas con ánodos galvánicos Instalación y conexión de ánodos galvánicos

Los ánodos galvánicos deben alojarse en agujeros con dimensiones tales que permitan que el ánodo quede cubierto por una capa de material de relleno, con un espesor mínimo de cinco centímetros en su periferia. El cable de los ánodos debe soldarse a la estructura por proteger. La colocación de los ánodos de sacrificio tipo brazalete para protección de tuberías sumergidas (marinas), debe hacerse removiendo el revestimiento de concreto, dejando una cavidad de longitud

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aproximada al ancho del brazalete, con una tolerancia máxima de un centímetro y procurando no dañar el recubrimiento anticorrosivo. En caso de que ocurra algún daño, dicha protección debe resanarse o restituirse. d) El brazalete debe colocarse sobre el recubrimiento anticorrosivo por el procedimiento que el proyecto indique. e) En el caso de líneas submarinas no deben instalarse ánodos de brazalete en las juntas de campo. f) Para fines de rehabilitación de la protección catódica en líneas submarinas en operación, se deben considerar ánodos tipo trapezoidal para ser instalados en línea regular y tipo brazalete en ducto ascendente 8.4.2

Instalación para sistemas de corriente impresa

8.4.2.1 Fuentes de energía - La fuente de energía debe contar con los elementos necesarios para medir y controlar voltaje y amperaje, pueden ser accionadas por corriente alterna, celdas solares, generadores de combustión interna, eólicos o por medios térmicos:

a) b)

Corriente alterna, (cuando aplique). Corriente directa.

8.4.2.2 Camas anódicas - La figura 12.1.7 muestra un arreglo típico de un sistema de protección a base de corriente impresa. 8.4.2.3 Instalación y conexión de ánodos para corriente impresa - Para un sistema de protección mediante corriente impresa, la colocación de los ánodos debe hacerse de acuerdo a lo indicado en la ingeniería del proyecto, en cuanto a la localización para su instalación y separación entre los ánodos. 8.4.2.3.1 El circuito del sistema de protección, sobre todo cuando protege más de un ducto, debe ser capaz de controlar la corriente drenada por ducto, de tal forma que solo se suministre a cada ducto la corriente necesaria para alcanzar alguno de los criterios de protección indicados en 8.2.1.3, lo cual puede lograrse colocando resistencias variables como se muestra en las figuras 12.1.7 y 12.1.8, o mediante alguna otra forma de conexión o dispositivo que cumpla para este fin y se debe instalar entre los ductos a proteger y el rectificador de corriente. 8.4.2.3.2 Opcionalmente, los ánodos pueden ser conectados individualmente en una caja de conexiones a través de una resistencia variable, como se muestra en las figuras 12.1.7 y 12.1.8. Cuando se opte por usarla, la caja de conexiones con resistencias variables se debe instalar entre el rectificador y la cama de ánodos. La colocación de los ánodos debe hacerse de acuerdo a lo indicado en el proyecto. 8.4.3

Instalación y pruebas comunes a ambos sistemas de protección

Previo a la aplicación de cualquier tipo de soldadura se debe medir el espesor del ducto para confirmar que se encuentre dentro del espesor permisible. 8.4.3.1 Medición de potenciales – Estas mediciones deben hacerse con voltímetros o multímetros digitales con las siguientes características mínimas:

a) b) c) d)

Impedancia de entrada de 10 MΩ. Exactitud de ± 1 porcentaje +1. Sensibilidad de 2 V. Resolución de 0,0001 V.

Adicionalmente, los voltímetros o multímetros, deben ser calibrados por un laboratorio acreditado ante “ema”.

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Los electrodos de referencia que deben usarse en trabajos de protección catódica se describen en 5.8.1 de la NOM-008-SECRE-1999. Conexión del voltímetro para la medición del potencial estructura–medio (electrolito) ver figura 12.1.16 Los electrodos de referencia que deben usarse en trabajos de protección catódica están descritos en 5.8.1 de la NOM-008-SECRE-1999, siendo los siguientes: a) b) c)

Cobre / Sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4 saturado). Plata (Ag) / cloruro de plata (AgCl). Calomel (Hg2Cl2) saturado con cloruro de potasio (KCl).

8.4.3.2 Medición de la resistividad – Se debe medir la resistividad del electrolito conforme a lo indicado en ASTM G57-95a-2001, o equivalente en donde se localizará el sistema de protección catódica y los valores obtenidos, deben ser usados para el diseño del mismo. 8.4.3.3

Clasificación de medios corrosivos en función de su resistividad

La corrosividad de un terreno, debe ser clasificada conforme a lo indicado en la tabla 15, como sigue. Resistividad del suelo (Ω cm)

Corrosividad del suelo

0

–

1,000

Altamente corrosivo

1,001

–

5,000

Corrosivo

5,001

–

10,000

10,001

–

en adelante

Poco corrosivo Muy poco corrosivo

Tabla 15 Corrosividad de suelos 8.4.3.4 Aislamiento de las conexiones - Las conexiones deben ser aisladas con resina epóxica líquida, vertida en un molde desechable. 8.4.3.5 Conexión por aluminotermia - La soldadura por aluminotermia se debe emplear en las conexiones siguientes:

a) b) c)

Entre el elemento de medición del poste de registro y amojonamiento y la estructura por proteger. Entre el cable catódico y la estructura por proteger. En puenteos.

A las soldaduras efectuadas por el procedimiento de aluminotermia se les debe aplicar una “carga”. La cual debe estar en función del calibre del conductor, según lo indica la tabla 16 de este documento.

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Calibre del conductor No.

Tamaño en mm2 (designación o calibre del cable)

Carga No.

14

2,08 (14)

15

12

3,31 (12)

15

10

5,26 (10)

15

8

8,37 (8)

15

6

13,3 (6)

15

4

21,2 (4)

25

2

33,6 (2)

25

1

42,4 (1)

32

1/0

53,5 (1/0)

45

2/0

67,4 2(/0)

65

Tabla 16 Calibre de conductor y carga para soldadura por aluminotermia 8.4.3.6 Soldadura eléctrica - Para la fijación de ánodos que cuenten con alma o soportes metálicos, el alma o soporte, debe soldarse a la estructura por proteger, de acuerdo al código AWS D1.1/D1.1M 2004, o equivalente y la calificación de los soldadores conforme a la NRF-020-PEMEX-2005. 8.4.3.7 Postes de señalamiento y registro - Los postes deben contener los requerimientos mínimos especificados en las figs. 12.1.1 a la 12.1.5, pero se aceptan postes con diferente configuración y materiales, siempre y cuando cumplan con la función, requerimientos de identificación, resistencia y durabilidad.

Los postes debe ser instalados estratégicamente donde se registren los valores de potencial mas representativo como: antes y después de cuerpos de agua, vías de comunicación, zonas de interfase, cruce con líneas de alta tensión, cruces con vías de tren, cruce con otros ductos o estructuras metálicas, en terrenos con presencia de bacterias sulfatoreductoras, en zonas urbanas a una distancia no mayor a 500 metros y en zonas rurales de acuerdo a lo que se indica en los incisos a, b y c de este numeral. a) b) c)

8.4.3.8

Poste tipo “R” Se deben instalar con espaciamiento máximo de 1 kilómetro, a lo largo de la(s) tubería(s) por proteger, o donde lo indique el proyecto. Poste tipo “RA” Se deben instalar con espaciamiento máximo de 5 km, a lo largo de la(s) tubería(s) por proteger, o donde lo indique el proyecto. Poste de puenteo eléctrico entre ductos que se cruzan Se debe interconectar mediante una resistencia conocida a dos ductos que se cruzan y poder registrar sus niveles de protección catódica (ver figuras 12.1.2 y 12.1.4 de este documento). Estos postes pueden ser “R” o “RA”. Aislamiento y parchado

El resane y aislamiento de la conexión a la estructura por proteger, debe hacerse con materiales dieléctricos compatibles con el recubrimiento original de la estructura.

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8.4.3.9

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Aislamientos eléctricos

Los aislamientos eléctricos deben ser instalados durante la construcción de la línea, de acuerdo con el diseño. Para el suministro e instalación de las juntas aislantes, se debe cumplir con 8.6 de la NRF-096-PEMEX-2004 8.4.3.10 Pruebas - Una vez construido el sistema de protección catódica, debe obtenerse un perfil de potenciales a intervalos cercanos encendido-apagado (on-off) a todo lo largo de la tubería, para verificar que se cumpla con alguno de los criterios de protección establecidos en esta norma. 8.5

Inspección y mantenimiento

Con el propósito de proteger adecuadamente las estructuras que cuentan con sistemas de protección catódica, es obligación del área encargada del sistema de establecer, implementar y cumplir un programa para la inspección y mantenimiento de los componentes del sistema, solicitando los recursos necesarios para éste fin, en los tiempos y formas indicados en esta norma. 8.5.1

Inspección

8.5.1.1 Inspección de ductos submarinos - La inspección de ductos submarinos debe cumplir con lo indicado en 8.1 y la tabla 1 de la NRF-014-PEMEX-2006, (ver figura 12.1.15). 8.5.1.1.1 Inspección de fuentes de energía no controladas remotamente - En los sistemas con corriente impresa, las fuentes de energía no controladas en forma remota, se deben inspeccionar cada 30 días máximo o antes si las condiciones lo requieren, para asegurar su operación continua.

En las zonas donde se presenten actos vandálicos recurrentes y regiones conflictivas, las inspecciones deben realizarse cada semana. Durante la inspección realizar las mediciones siguientes: a) b) c)

El voltaje y la corriente alterna de alimentación. El voltaje y la corriente directa aplicado a la estructura protegida. El potencial estructura-electrolito en el punto de drenaje.

8.5.1.1.2 Inspección de sistemas con supervisión a control remoto - Los sistemas con supervisión a control remoto, deben inspeccionarse al menos seis veces al año. Si el sistema de transmisión de datos llegara a interrumpirse por un tiempo mayor a un mes, la frecuencia de inspección es la indicada para los no controlados.

En ambos casos se deben de llevar registros mensuales de las condiciones de operación, de cualquier ajuste de las variables mencionadas, así como el cálculo de la eficiencia de la fuente de energía y de la resistencia de circuito calculada con los parámetros de corriente directa. 8.5.1.1.3 Inspección de camas de ánodos inertes - Las camas de ánodos inertes, se deben inspeccionar como mínimo una vez al año.

Cuando existan conexiones individuales para cada ánodo la inspección se debe realizar mediante medición directa de corriente. En caso contrario, se usará la medición de potencial sobre cada ánodo. 8.5.1.1.4 Levantamiento de potenciales a intervalos cercanos - Se debe realizar un levantamiento de potenciales a intervalos cercanos (CIS) encendido-apagado, máximo cada 5 años o cuando se modifique el

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sistema de protección catódica, para verificar que el nivel de protección cumple con los criterios establecidos en este documento. 8.5.1.1.5 Perfil de potenciales - Se debe levantar un perfil de potenciales de la estructura completa con las frecuencias indicadas a continuación:

a) b) c)

Para ductos terrestres, al menos cada seis meses donde la tubería se encuentre en clases de localización 1 y 2, y cada tres meses para clase de localización 3 y 4. Para ductos marinos en línea regular (no incluye ducto ascendente), debe ser cada cinco años como máximo. Para ductos ascendentes, subestructuras de plataformas marinas, cada tres años como máximo.

8.5.1.1.6 Recubrimiento anticorrosivo del ducto - Se debe de realizar una inspección del recubrimiento anticorrosivo en las zonas donde se tengan indicios de una falla masiva del recubrimiento por medio de técnicas como los gradiente de voltaje de corriente directa (DCVG), métodos inductivos o conductivos, con la finalidad de detectar si existen fallas y en su caso repararlas para hacer más eficiente el sistema de protección catódica.

Se deben llevar registros del estado del recubrimiento anticorrosivo de la estructura por proteger, cada vez que se tenga la oportunidad de verificar visualmente la estructura, registrando la ubicación del punto y las condiciones en que éste se encuentre, para lo cual se debe contar con un formato específico para este fin. De aquellos ductos que se inspeccionen con equipo instrumentado, se debe revisar el informe de la inspección para comprobar que las pérdidas de metal exterior, no sean causadas por fallas en el sistema de protección catódica o del recubrimiento dieléctrico y en su caso tomar las medidas correctivas necesarias. 8.5.1.1.7 Levantamiento de perfil de resistividades.- Cada 10 años se debe realizar el levantamiento del perfil de resistividades del suelo a lo largo del derecho de vía. 8.5.1.2

Mantenimiento

8.5.1.2.1 Rectificador, dispositivos de protección y conexiones eléctricas - Las conexiones eléctricas tanto internas del rectificador como las de alimentación de corriente alterna o de cualquier fuente de energía de corriente directa, se deben limpiar, ajustar y proteger una vez al año, para mantener bajas resistencias de contacto y evitar sobrecalentamiento. Cualquier defecto en los componentes del sistema debe de eliminarse o corregirse. 8.5.1.2.2 Fuente de energía - Cuando se requiera, debe aplicarse recubrimiento anticorrosivo a la cubierta de las fuentes de energía, transformador de la subestación eléctrica y a todas las partes metálicas de la instalación. 8.5.1.2.3 Caseta – Cada dos años se debe aplicar recubrimiento a la caseta y componentes de la misma; así como su rotulación. 8.5.1.2.4 Postes de registro y conexión eléctrica ducto-poste - Los postes de registro R y RA, deben rehabilitarse cada vez que se detecte que están desconectados, derribados o fuera de la vertical y pintarse cada 2 años, de acuerdo con las especificaciones del anexo 12. 8.6

Documentación y Registros

El contratista y/o proveedor debe presentar los siguientes documentos:

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8.6.1 Informe de resultados de pruebas de la composición química de los ánodos, emitido por un laboratorio acreditado ante “ema” o su equivalente del país de origen. 8.6.2 Dictamen o informe de calibración vigente, de los equipos de medición de tensión y corriente, emitido por un laboratorio acreditado ante “ema” o su equivalente del país de origen. 8.6.3 Informe de resultados de prueba sobre eficiencia, capacidad de drenaje de corriente, potencial de circuito abierto y peso específico, emitido por un laboratorio con reconocimiento de la legislación mexicana. 8.6.4

Adicionalmente se deben llevar los registros y documentos indicados a continuación:

8.6.4.1 Historial del sistema de protección catódica durante el periodo del contrato, interacción con estructuras y sistemas de otras dependencias. 8.6.4.2 Registros de las actividades y trabajos realizados durante el periodo del contrato (funcionalidad del sistema de protección catódica, modificaciones al sistema original, reparación o reemplazo de algún componente del sistema de protección catódica y estudios especiales).

9.

RESPONSABILIDADES

9.1

Del contratista, proveedor y/o prestador de servicios

Cumplir con los requisitos establecidos de esta norma. 9.2

De Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios

Verificar el cumplimiento de esta norma en el ámbito de competencia de Petróleos Mexicanos.

10.

CONCORDANCIA CON NORMAS NACIONALES O INTERNACIONALES

Esta norma concuerda parcialmente con la NOM-008-SECRE-1999 y con las ISO 13174, 15589-1 y 2.

11.

BIBLIOGRAFÍA

11.1 ASTM G57-95a- 2001 - “Standard Test Method for Field Measurement of Soil Resistivity Using the Wenner Four-Electrode Method” 11.2 ASTM A518/A 518M-992001 - “Standard Specification for Corrosion Resistant High-Silicon Iron Castings” 11.3

ASTM B 418-012001 - “Standard Specification for cast and Wrought Galvanic Zinc Anodes”

11.4

AWS D1.1/D1.1 M 20042001 - “Structural Welding Code-Steel”

11.5

A.W. Peabody, “Control of Pipeline Corrosion”, 2a edición, 1967, NACE

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11.6

BS EN 12495:2000 - “Cathodic Protection for Fixed Offshore Structures”.

11.7

DNV-RP-F103 Cathodic Protection of Submarine Pipelines by Galvanic Anodes

11.8

Especificación P 2.0413.01 de Pemex Exploración y Producción, “Sistemas de protección catódica”

11.9 Especificación P. 3.413.01 de Pemex Exploración y Producción, “Instalación de sistemas para protección catódica” 11.10

J. Morgan, Cathodic Protection, 2a edición, 1993, NACE

11.11

Javier Ávila, Joan Genescá, Más allá de la Herrumbre, Fondo de Cultura Económica

11.12 L.L. Shreir, R.A. Jarman, G.T. Burstein, Corrosion, Volumen 2, Corrosion Control, 1995, Butterworth Heinemann 11.13 NACE TM0497-20022001 - “Measurement techniques related to criteria for cathodic protection on underground or submerged metallic piping systems” 11.14

NACE RP0502-20022001 - “Pipeline external corrosion direct assessment methodology”

11.15 NACE RP-0169-962001 - “Standard recommended practice, control of external corrosion on underground or submerged metallic piping systems”

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12.

Anexos

12.1

Figuras

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Las grabaciones en las caras de los postes deben ser bajo-relieve. Los postes deben ser pintados de color naranja y las grabaciones de color negro. Los postes de concreto deben ser tipo V, con una resistencia a la compresión (f´c) igual a 150 kg/cm2, reforzados con varillas de 9,5 mm (3/8 pulg) y estribos de 6,3 mm (1/4 pulg).

21

Cable cal. 12 AWG con doble forro, aislamiento de polietileno de alto peso molecular y PVC

15

15

34

Tubo conduit

Caja hueca dejada en el poste rellena de esmalte de alquitrán de hulla

110

15 38

Soldadura de estaño

21

15

80

21 38 21

110

74 26

Derivación Tipo R.S. de 0.01 Ω

Relleno de mortero de cemento y arena 1:1

50

25

25

Al ánodo

Tubo conduit de 12.7 mm (1/2 pulg) A la tubería

Forro de cinta eléctrica de plástico para las partes Acot. en mm

Figura 12.1.1 Dispositivo de medición para poste de señalamiento y registro tipo “R” y “RA”

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15 2.5

10

2.5

2.5

15

8.5

10

10

2.5

2.5

2.5

10 5

5

5

CORTE A - A’

145

145

Tubo de 0.21 cm (1/12 pulg)

Estribos de 0.63 cm (1/4 pulg) cada 30 cm

2.5

25

36

4 vars. de 1.0 cm (3/8 pulg)

ELEVACIÓN

CORTE

Acot. en cm

Figura 12.1.2 Poste de señalamiento y registro tipo “R” Para amojonamiento y registro para protección catódica

2.5

15

A’

10

36

A

11

5

4 vars. de 1.0 cm (3/8 pulg)

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2.5

4

7 3

7 3

32 #

22 7 3 7 3

+

3 A

56.5

0 " 1 5 8

7 3

2.5 2 32 5 2 5 2 5 22 3 5 22 5

54.5

P R M E X

5

2.5

59.5

3 7 12 1 7 3 7

54.5

5

5

3 7

+

22 7

2.5 5

X

22 7 2 5 2 7 3 7 3 7

2.5 5

P E M E

2 4 0

4 10 12 18 20

COORDENADAS GEOGRÁFICAS

Placa de aluminio con coordenadas geográficas UTM

22 5 2 5 2 5 2 5

2

62.0

7

8

7.5

6.5

A

B Cara “C”, “C1”, C2

C

C1

C2

D

Cara “B”

Cara “A”

Cara “D”

Acotaciones en cm

La cara “A” se debe orientar hacia las tuberías para proteger, instalar una placa de aluminio conteniendo bajo relieve las coordenadas geográficas UTM. La cara “B” debe indicar el kilometraje del ducto donde se localiza el poste. La cara “C” debe indicar el origen y final del ducto por proteger. La cara “C1” se debe utilizar en ambas desviaciones. La cara “C2” se debe utilizar para localizar camas de ánodos. La cara “D” se debe utilizar para indicar los diámetros de las tuberías por proteger. Figura 12.1.3 Grabados para poste de señalamiento y registro tipo “RA”

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75 45

3 alambrones de 0.64 (1/4 pulg) a cada 18 cm

15

15°

45

Placa de concreto armado (definitiva) 45

Placa de lámina provisional Caja cónica para recibir ancla de la placa de concreto

5 alambrones de 0.64 (1/4 pulg) a cada 17 cm

Solera de 5.1 x 0.32 (2 pulg x 1/8 pulg)

45 Concreto 1:2:4

11

16

Tubo conduit 1.27 cm (1/2 pulg) Ø

250

9

19

4

150

4 var. 0.95 cm (3/8 pulg) a 9 cm y estribos a cada 35 cm

Alambrón 0.64 cm (1/4 pulg) 15

2 ganchos Fe de 0.95 (3/8 pulg) cda. std.

Nivel de tierra

Acot. en cm

Salida del tubo a 30 cm del extremo superior

120

370

15°

15°

Registro de medición

20

Figura 12.1.4 Poste de señalamiento y registro tipo “RA” Para inspección aérea y registro para protección catódica

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75

Grabados en la placa con acabado de mosaico en color negro sobre fondo naranja

3 4

5

39

2

Gravados en el poste en cavorelieve

Hasta el nivel de tierra

1

45

Cara hacia el origen

Acotaciones en mm 5.5

18

18 5

18

5.5

5

Acot. en cm

Registro de medición

Hasta nivel de tierra

Desarrollo de 5 caras del poste

Tubo conduit 2.6

15

150 hasta el nivel de tierra

210

Caja rectangular de 49 x 205 x 15 cm para embutir numeración de placas de azulejo

Registro para medición

Figura 12.1.5 Acabados y grabados para poste de señalamiento y registro tipo “RA”

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Agujero

Tubería a proteger

Empalme de conexión con aislamiento

Variable

Cable de cobre con doble aislamiento de PEAD y PVC

Soldadura por aluminiotermia parcheo posterior con material aislante

Variable

Poste de conexión R o RA

Variable

Ánodo

PLANTA Sin escala

Soldadura por aluminotermia

Tubería a proteger

Empalme de conexión con aislamiento

0.8 m

Variable

Poste de conexión R o RA

Cable de cobre con aislamiento de polietileno de alto peso molecular y PVC

Relleno compacto

Ánodo de magnesio

25 m

ELEVACIÓN Sin escala

Figura 12.1.6 Arreglo típico de un sistema de protección terrestre a base de ánodos galvánicos

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Subestación eléctrica tipo poste Acometida eléctrica

Postes de señalamiento de localización de la cama anódica

Caseta de protección Rectificador de corriente alterna

Caja de conexión de ánodos

+

Caja de conexiones de tuberías Ver detalle en figura 12.1.8

-

Poste tipo “R” o “RA” para medición de potencial

Cable anódico

Empalmes de conexión con aislamiento

Soldadura Cadweld

Cable anódico Cable de cobre con aislamiento doble forro polietileno de alto peso molecular y PVC

Ánodos inertes rellenos de coque pulverizado

Tuberías protegidas

Figura 12.1.7 Arreglo típico de un sistema de protección a base de corriente impresa

Total

D U C T O S

5

4

3

= Total

1

+

2

+

2

3

+

4

1

+

5

Figura 12.1.8 Circuito del sistema de protección cuando protege a más de un ducto

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A

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Ánodo de aluminio

Solera

Tipo

Elemento correspondiente a la estructura

A’

Figura 12.1.9 Conexión de ánodo a elemento estructural, vista lateral

Ánodo de aluminio Tipo Elemento C L

estructural

CORTE A – “A” Conexión de ánodo a elemento estructural

Figura 12.1.10 Conexión de ánodo a elemento estructural, vista transversal

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1 CORTE DEL PILOTE Y P.T. ELEV. (+7.315) ELEV. SUPERIOR DE SUBESTRUCTURA (+5.858)

2

P.T.

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3

P.T.

4

P.T.

ELEV. DE REF. (+5.095)

NIVEL MEDIO DEL MAR + 0.000)

ELEV. DE REF. (-5.230)

ELEV. DE REF. (-24.384)

ELEV. DE REF. (-42.672)

LECHO MARINO ELEV. (-65.200)

Figura 12.1.11 Distribución típica de los ánodos en la estructura de la plataforma a diferentes elevaciones (sin escala)

P.T.

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1

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1

1

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1

B

A PLANTA (ELEVACIÓN -65.200 m)

Figura 12.1.12 Distribución típica de los ánodos en la estructura de la plataforma a diferentes elevaciones (sin escala)

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Figura 12.1.13 Dibujo típico de instalación de un ánodo de brazalete tipo molde cilíndrico en ductos marinos

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Figura 12.1.14 Dibujo típico de instalación de un ánodo de brazalete tipo segmentado en ductos marinos

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Satellite Navigation

Surface Navigation Chain Land Stations

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Decca Pulse Eight Artemis Pulse Eight

Micro-Fix Satnav System and Microwave Systems

Platform

Hidro-acoustic System Subsurface and Surface Navigation Systems Responder and transponder

Transponder

Navigation

Figura 12.1.15 Inspección de ductos submarinos

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Voltímetro digital - 0.850

+

+

-

-

Electrodo de referencia

Estructura Medio

Figura 12.1.16 Conexión del voltímetro para la medición del potencial estructura–medio (electrolito) 12.2 12.2.1

a) b) c)

Requerimientos de planos para un sistema de protección catódica terrestre Plano de localización general-contenido

Escala: la misma de los planos de trazo y perfil (1: 4 000) con cuadrícula de coordenadas Croquis de localización. Ubicación mediante liga topográfica con trazo del ducto, de los siguientes elementos: c1) Área para caseta y subestación eléctrica. c2) Polígono de cama anódica. c3) Polígono de ruta de cables. c4) Polígono de la línea de transmisión eléctrica (proyecto). c5) Línea de transmisión eléctrica existente (indicar voltaje y propietario). c6) Camino o caminos de acceso existentes. c7) Acceso de proyecto (en caso que aplique). c8) Detalle conteniendo los primeros 3 elementos de esta relación. c9) Dibujo de sección transversal indicando profundidad, ancho de sección, componente, entre otros. c10) Se deben elaborar esquemas de propietarios con el cuadro de construcción respectivo para el trámite de afectaciones de las áreas a contratar.

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12.2.2

b) c)

Detalles de excavación para alojar la cama anódica y postes de amojonamiento

Instalación de lecho anódico

Diagrama representativo de la conexión de los componentes principales de la protección catódica: cama anódica, ducto, rectificador, postes “RA” o “R”, caseta de protección del rectificador. Indicación del tipo y calibres de los conductores (+) y (-). Indicación del tipo de soldadura por utilizar.

12.2.2.3

a) b) c) d) e) f) g) h)

Detalle de instalación de ánodos

Título del detalle Corte transversal de la cama anódica en forma representativa. Acotaciones en mm. Indicación de escala utilizada. Indicación del N.T.N. Indicación del tipo y calibres de los conductores primario y secundario por utilizar. Indicación del tipo de soldaduras que apliquen. Detalle típico de instalación de ánodos indicando relleno, tipo, diámetro y longitud del ánodo.

12.2.2.4

Cuadro de la composición química del ánodo

12.2.3

Plano de interconexiones eléctricas-contenido

12.2.3.1

Conexión eléctrica tipo i

a) b) c) d) e) f) g)

Rectificador-lecho anódico, rectificador-tubo-poste “RA”. Tipo de poste “R” o “RA”. Tipo y calibre de conductor (+) y (-). Notas que apliquen. Tipo de conexiones soldadas. Caseta de rectificador. Rectificador.

12.2.3.2

a) b) c)

PÁGINA 53 DE 56

Título del detalle. Acotaciones en mm. Indicación del N.T.N. Indicación de postes tipo “RA” o “R”. Indicación de cortes de secciones transversales de la cama anódica. Indicación de la localización de celdas de referencia permanente (sí aplica).

12.2.2.2

a)

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Plano de cama anódica-contenido

12.2.2.1

a) b) c) d) e) f)

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Detalles de los tipos de conexiones soldadas

Tipo ta. Tipo ss. Tipo caja.

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12.2.3.3

a) b) c) d) e) f) g)

Tabla de soldaduras (tipo)

Conexiones eléctricas tipo III (puenteo eléctrico de soldaduras)

Cuadro de localización de interconexiones

Tipo I, II, III y IV (las que apliquen). Cantidad.

12.2.4

Plano de postes de señalamiento y registro tipo “RA”-contenido

12.2.4.1

a)

Interconexiones con tubería para puntos de drenaje de corriente impresa

Ducto a proteger de proyecto. Indicación de ductos existentes que se puentean. Profundidad del conductor. Tipo y calibre del conductor. Acotaciones. Escala utilizada. Indicación del N.T.N Indicación de las conexiones de la caja unión (sí aplica).

12.2.3.7

a) b)

Conexión eléctrica tipo II

Datos generales. Localización. Corriente del rectificador. Calibre del conductor primario (AWG). Tipo de soldadura. Molde (cartucho). Calibre de conductores. Cantidad de soldaduras.

12.2.3.6

a) b) c) d) e) f) g) h)

PÁGINA 54 DE 56

Detalle a Tubería a proteger por proyecto. Tipo de conector soldado a tubería. Tipo y calibre del conductor. Indicación del tipo de resina epóxica por utilizar en la protección de la soldadura. Corte del detalle “a”.

12.2.3.5

a) b) c) d) e) f) g) h)

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(tubo-poste “RA”) Indicación de la escala. Acotaciones en mm. Indicación del N.T.N. Detalle de ducto-conductor. Tipo y calibre del conductor. Detalle de caja de conexiones del poste “R” o “RA”.

12.2.3.4

a) b) c) d) e) f)

DISEÑO, INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA

Detalle de construcción de poste de concreto tipo “RA”

Indicaciones de acotaciones.

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b) c) d) e) f) g) h) i)

PÁGINA 55 DE 56

Detalles de grabado en caras del poste “RA”

Dimensiones de letras en cada una de las caras (en mm). Indicación del número de cara.

12.2.4.3

a) b) c) d)

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Indicaciones de la escala. Indicaciones de la caja de registro para dispositivo de conexión y medición. Indicaciones de dimensiones en mm. Indicaciones del nivel de terreno natural. Indicaciones de profundidad de la excavación. Indicaciones de las dimensiones de capuchón de concreto. Indicaciones del tipo y diámetro de tubería conduit ahogada en poste “RA”. Indicaciones del corte de armado del poste “RA”.

12.2.4.2

a) b)

DISEÑO, INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA

Construcción de capuchón de concreto

Detalle de corte (armado del capuchón vista de planta). Corte (armado y dimensiones del capuchón de concreto, vista lateral). Corte (armado de poste “RA” ). Detalle (leyenda en capuchón de concreto vista de planta).

12.2.4.4 Dispositivo de conexión y medición en el punto de drenaje (detalles de construcción de instalación del shunt) 12.2.5

Plano de postes de señalamiento y registro tipo “R”-contenido

12.2.5.1

a) b) c) d) e) f) g) h) i) j)

Indicación de cortes que intervienen en este dibujo. Indicación de la caja de registro. Indicación de las acotaciones en mm. Indicación de la escala utilizada. Indicación de N.T.N. Corte (vista lateral de poste “R”). Acotaciones en mm. Indicar N.T.N. Indicación de la escala. Indicación de tubería conduit ahogada en poste.

12.2.5.2

a) b) c) d) e) f) g) h) i) j)

Construcción de poste de concreto para amojonamiento tipo “R” Elevación

Datos grabados en los postes de concreto tipo “R”

Cara a Cara b Cara c Cara c1 Cara c2 Cara d Acotaciones en mm. Indicar N.T.N. Indicación de la profundidad de instalación. Indicación de las letras en cada una de las caras con acotaciones en mm.

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12.2.5.3

a) b) c) d)

DISEÑO, INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICA

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Dispositivo de conexión y medición

Detalle de la vista frontal instalación de conductor tipo HMWPE-PVC. Detalle de la vista de perfil de la caja de conexiones incluyendo el shunt. Conexiones interiores del shunt en la caja de conexiones. Acotaciones en mm.

12.2.6

Plano constructivo y de instalación eléctrica de la caseta para rectificador

12.2.7

Plano de subestación eléctrica

12.2.8

Plano(s) de línea de distribución eléctrica

12.3

Requerimientos de planos para un sistema de protección catódica marino

12.3.1

Planos para ductos Marinos

a)

12.3.2

El plano debe incluir a1) Plano de localización del ducto marino a2) Diagrama típico de instalación de los ánodos en corte A-A, isométrico a3) Diagrama típico de distancia entre ánodos en la línea regular Planos para estructuras Marinas

a)

El plano debe incluir a1) Conexión del ánodo a elemento estructural, típico de elevación y elevación corte A-A

b)

Distribución típica de los ánodos en la estructura de la plataforma en diferentes elevaciones: b1) Elevación marco eje 1 b2) Elevación marco eje 2 b3) Elevación marco eje 3 b4) Elevación marco eje 4 b5) Elevación marco eje A b6) Elevación marco eje B

c)

Distribución típica de los ánodos en la estructura de la plataforma en diferentes plantas. c1) Planta en elevación + 6,096 m c2) Planta en elevación -8,2306 m c3) Planta en elevación -24,384 m c4) Planta en elevación -42,672 m c5) Planta en elevación -65,200 m