PROTEÇÃO CATÓDICA EFETIVO COMBATE À CORROSÃO ELETROQUÍMICA

PROTEÇÃO CATÓDICA

EFETIVO COMBATE À CORROSÃO ELETROQUÍMICA

PARTE 4: DIMENSIONAMENTO

Este material contém informações classificadas como NP-1

FLUXOGRAMA DE

UM PROJETO

CALCULANDO A CORRENTE NECESSÁRIA

• A demanda de corrente total pode ser determinada usando-se a Equação:

• ONDE:

– S = superfície da estrutura a proteger (m2_); – j = densidade de corrente (A/m2_);

– f_C = fator de falha do revestimento, adimensional; – k = coeficiente de segurança (entre 1 e 1,25).

k

f

j

S

I

_tot







_C



SISTEMAS SUBMARINOS

• Projetos de sistemas submarinos geralmente trabalham com 3 correntes diferentes: inicial, média e final.

– Corrente inicial: intensidade de corrente necessária à polarização de uma estrutura;

– Corrente média: intensidade de corrente necessária à manutenção da polarização de uma estrutura ao longo da sua vida útil;

– Corrente final: intensidade de corrente necessária à proteção de uma estrutura ao final de sua vida útil.

DENSIDADE DE CORRENTE

• A densidade de corrente de proteção

caracteriza a corrosividade do eletrólito e é função de vários fatores, tais como:

– Composição química; – pH; – Teor de umidade; – Temperatura; – Presença de bactérias; – Resistividade elétrica.

DENSIDADE DE CORRENTE

• Obtenção da densidade de corrente:

– Levantamento de curvas de polarização em laboratório;

– Associada à resistividade do eletrólito; – Informações normativas ou literárias; – Utilização de experiências práticas.

DENSIDADE DE CORRENTE

• Exemplo de curva obtida em laboratório:

DENSIDADE DE CORRENTE

• Utilizando os dados da resistividade média do eletrólito, é possível utilizar esta fórmula

empírica para calcular a densidade de corrente (para eletrólitos entre 30 e 80.000 Ω.cm):

• ONDE:

– j = densidade de corrente (mA/m2_); – ρ = resistividade média do solo (Ω.cm).

 log 35 , 13 73 , 73   j

DENSIDADE DE CORRENTE

• Exemplos de fontes normativas:

DNV RP B401 60 a 250 Água do mar ISO 15589-2 30 a 380 Água do mar ISO 15589-1 Fonte 5 a 30 Solos diversos Densidade de corrente (mA/m2₎ Ambiente

A densidade depende das condições do eletrólito!

DENSIDADE DE CORRENTE

FATOR DE FALHA DO REVESTIMENTO

• Exemplo de fonte normativa (ISO 15589-1):

)

( f t

fi

f_C    

EFICIÊNCIA DO REVESTIMENTO

• Exemplo de fonte normativa (DNV RP B401):

) (b t a

DENSIDADE DE CORRENTE PARA

ESTRUTURAS REVESTIDAS (j

_C

)

• Exemplo de fonte normativa (ISO 15589-1):

C tot S j

I  

Neste caso:

EXERCÍCIO 1

• Calcular a corrente de PC necessária ao duto abaixo, para uma vida útil de 20 anos:

– Diâmetro do duto: 30”;

– Comprimento do duto: 100 km;

– Revestimento polietileno tripla camada; – Resistividade média do solo: 60.000 Ω.cm.

EXERCÍCIO 1

• Área do duto: • Densidade de corrente: • Revestimento: • Corrente total: 2 ________ m S L D S     2 / _______ ) log( 35 , 13 73 , 73 m mA j j     ______ ) (      C C f t f fi f A I f j S I tot C tot ______    

EXERCÍCIO 1

• Área do duto: • Densidade de corrente: • Revestimento: • Corrente total: 2 389 . 239 m S L D S     2 / 94 , 9 ) log( 35 , 13 73 , 73 m mA j j     007 , 0 ) (      C C f t f fi f A I f j S I tot C tot 66 , 16    

EXERCÍCIO 2

• Repetir o exercício anterior substituindo o polietileno por coal-tar.

• Revestimento: • Corrente total: _______ ) (      C C f t f fi f A I f j S I tot C tot ______    

EXERCÍCIO 2

• Repetir o exercício anterior substituindo o polietileno por coal-tar.

• Revestimento: • Corrente total: 028 , 0 ) (      C C f t f fi f A I f j S I tot C tot 63 , 66    

CÁLCULO DAS RESISTÊNCIAS DO CIRCUITO

• Definição da escolha do tipo de sistema:

RESISTÊNCIA DO ANODO

• Resistência de um anodo instalado verticalmente com a terra:

• Onde:

– ρ: Resistividade elétrica do solo (Ωm); – L: Comprimento do anodo; – d: Diâmetro do anodo.               8 1 2 , d L n L R_vre   

RESISTÊNCIA DO ANODO

• Resistência de um anodo instalado verticalmente com a terra:

RESISTÊNCIA DO ANODO

• Resistência de vários anodos instalados verticalmente com a terra:

• Onde:

– ρ: Resistividade elétrica do solo (Ωm); – L: Comprimento do anodo;

– d: Diâmetro do anodo; – N: Número de anodos;

– s: Espaçamento entre anodos.

      _{ }        8 1 2 (0,656 ) 2 , n N s L d L n NL R_{v re}    

RESISTÊNCIA DO ANODO

• Resistência de um anodo instalado horizontalmente com a terra:

• Onde:

– ρ: Resistividade elétrica do solo (Ωm); – L: Comprimento do anodo; – d: Diâmetro do anodo; – t: Profundidade. L t Para td L n L R_{h re}         : 2 2 ,    L t Para d L n L R_{h re}         : 2 2 ,   

RESISTÊNCIA DO ANODO

• Resistência de um anodo instalado horizontalmente com a terra:

RESISTÊNCIA DO DUTO

• Pode-se estabelecer ou calcular a resistência de contato do duto com o solo, através do

RESISTÊNCIA DO DUTO

• Um dos métodos é assumir um valor de

resistência específica do revestimento (r’c) para calcular a resistência de contato do duto com a terra:

• Onde:

– R_p,re : Resistência do duto para a terra (Ω);

– r’_c : Resistência específica do revestimento (Ωm2_); – A_S : Superfície do duto (m2_); S c re p A r R _,  '

RESISTÊNCIA ESPECÍFICA DO

REVESTIMENTO

• É um valor tabelado para uma resistividade do solo de 1000 Ωcm.

• É necessário fazer a conversão (regra de 3) para a resistividade média do duto.

• Valores práticos para:

– Polietileno tripla camada: > 10.000 Ωm2 – Coal tar: Entre 2.000 e 10.000 Ωm2

RESISTÊNCIA ESPECÍFICA DO

REVESTIMENTO

• Exemplo: calcular a resistência de contato com o solo de um duto de 1000 m de comprimento, diâmetro de 21,9 cm, resistência específica do

revestimento de 5000 Ωm2 _{(em 1000 Ωcm) em}

um solo de resistividade de 7000 Ωcm.

RESISTÊNCIA ESPECÍFICA DO

REVESTIMENTO

• Calcular a resistência específica para a resistividade de 7000 Ωcm: • Superfície do duto: • Resistência do revestimento: 2 ________ ) 7000 ( ' 1000 ) ( ) 1000 ( ' ) 7000 ( ' m cm r duto cm r cm r c c c             2 ______ m L D A_S       ' _______ , S c re p A r R

RESISTÊNCIA ESPECÍFICA DO

REVESTIMENTO

• Calcular a resistência específica para a resistividade de 7000 Ωcm: • Superfície do duto: • Resistência do revestimento: 2 000 . 35 ) 7000 ( ' 1000 ) ( ) 1000 ( ' ) 7000 ( ' m cm r duto cm r cm r c c c             2 688m L D A_S         50,9 688 35000 ' , S c re p A r R

RESISTÊNCIA DO CABO ELÉTRICO

• A resistência do cabo é, via de regra, desprezível no cálculo de um sistema de proteção catódica.

• Deve-se buscar escolher uma bitola de cabo que seja suficiente para conduzir com folga a

CAPACIDADE DE CONDUÇÃO DO CABO

ELÉTRICO

CÁLCULO DA VIDA ÚTIL DOS ANODOS

CONSUMÍVEIS

• Anodos consumíveis são aqueles que perdem massa ao longo de sua vida útil. São eles:

– Anodos galvânicos (alumínio, zinco e magnésio); – Anodos inertes (grafite, ferro-silício e aço).

• OBS: Anodos inertes de titânio ou platina que não perdem massa não necessitam desta etapa.

CÁLCULO DA VIDA ÚTIL DOS ANODOS

CONSUMÍVEIS

• Taxa de consumo típicos para diferentes anodos no solo:

CÁLCULO DA VIDA ÚTIL DOS ANODOS

CONSUMÍVEIS GALVÂNICOS

• Onde:

– M: Massa de anodos (kg); – I_P: Corrente de proteção (A); – V: Vida útil (Anos);

– Fu: Fator de utilização;

– C: Capacidade de corrente (Ah/kg).

C

Fu

V

I

M

P









8760

CÁLCULO DA VIDA ÚTIL DOS ANODOS

CONSUMÍVEIS GALVÂNICOS

• Capacidade de corrente por tipo de anodo:

– Zn = 740 Ah/kg; – Mg = 1.100 Ah/kg; – Al = 2.200 Ah/kg.

• Fator de utilização depende da geometria do anodo: – 0,90 = Cilíndricos e em barra; – 0,85 = Planos; – 0,75 = Braçadeira. Dutos terrestres

CÁLCULO DA VIDA ÚTIL DOS ANODOS

CONSUMÍVEIS INERTES

• Onde:

– M: Massa de anodos (kg); – I_P: Corrente de proteção (A); – V: Vida útil (Anos);

– D: Taxa desgaste do anodo

• Fe/Si → 0,4 kg/A.ano; • Grafite → 1,0 kg/A.ano; • Aço (sucata) → 9,2 kg/A.ano.

V

I

D

CÁLCULO DO NÚMERO DE ANODOS

GALVÂNICOS (1)

• Uma vez determinada a massa total mínima de anodos necessária, é possível calcular o número de anodos para um determinado tipo de anodo especificado.

anodo)

do

líquida

(massa

)

necessária

mínima

massa

(

liq

M

M

n



CÁLCULO DO NÚMERO DE ANODOS

GALVÂNICOS (2)

• É preciso verificar se os anodos enterrados irão fornecer a corrente de proteção catódica

necessária. • Onde:

– ΔV: Diferença de potencial do anodo e a estrutura polarizada (-850mV);

– R: Resistência do leito de anodos + resistência do duto total anodo R V I  

POTENCIAIS NOMINAIS DOS ANODOS

GALVÂNICOS

-1,05 a -1,10V Alumínio -1,10V Zinco -1,55 a -1,75V Magnésio Potencial Anodo

LOCAÇÃO DO LEITO DE ANODOS EM UM

SISTEMA POR CORRENTE GALVÂNICA

• Um sistema de proteção catódica de dutos terrestres protegido por anodos galvânicos

geralmente é aplicável em dutos com excelente revestimento.

• É recomendável que os anodos sejam instalados ao longo de todo o duto para melhor

EXERCÍCIO 4

• Calcular um sistema de proteção catódica galvânico para um duto com as seguintes características:

– Comprimento: 8 km;

– Diâmetro externo: 4,5” (11,43 cm); – Eficiência do revestimento: 99%;

– Densidade de corrente requerida: 20mA/m2_; – Resistividade do solo: 3.500 Ωcm;

– Vida útil do sistema: 10 anos;

– Resistência do duto com o solo desprezível.

EXERCÍCIO 4

• 1º passo: Calcular a corrente requerida:

• 2º passo: Calcular a massa total de anodo:

2 873 . 2 m S L D S     A I f j S I _C 575 , 0     kg M C Fu V I M P 51 8760     

EXERCÍCIO 4

• 3º passo: Escolher o anodo (N-1783):

3 anodos MCE-20,8

EXERCÍCIO 4

• 4º passo: Verificar a corrente fornecida por anodo:                        _        1 , 14 1 10 150 8 150 2 3500 1 8 2 , , , re v re v re v R n R d L n L R      mA I mA I tot 192 64 1 , 14 85 , 0 75 , 1    

EXERCÍCIO 4

• 5º passo: Escolher outro modelo de anodo:

11 anodos MCE-5,3

EXERCÍCIO 4

• 6º passo: Verificar a corrente fornecida por anodo:         _               _        6 , 16 1 5 150 8 150 2 3500 1 8 2 , , , re v re v re v R n R d L n L R      mA I mA I tot 594 54 6 , 16 85 , 0 75 , 1    

CÁLCULO DO RETIFICADOR E LEITO DE

ANODOS INERTES

• Assim como num sistema galvânico, é preciso calcular a corrente de proteção catódica

fornecida. • Onde:

– ΔV: Diferença de potencial entre o retificador e a polarização do sistema. (OBS: Geralmente é usado o valor da própria saída do retificador);

– R: Resistência do leito de anodos + resistência do duto. total anodo R V I  90, 

EXERCÍCIO 5

• Calcular um sistema de proteção catódica por corrente impressa para um duto com as

seguintes características:

– Comprimento: 30 km;

– Diâmetro externo: 14” (35,56 cm); – Eficiência do revestimento: 99%;

– Densidade de corrente requerida: 20mA/m2_; – Resistividade do solo: 4.000 Ωcm;

EXERCÍCIO 5

• 1º passo: Calcular a corrente requerida:

• 2º passo: Escolhendo uma tensão de saída para o retificador: 30V 2 515 . 33 m S L D S     A I f j S I _C 7 , 6         0 , 3 9 , 0 _, máx e p RET máx R R I V R

EXERCÍCIO 5

• 3º passo: Calcular a resistência do leito de anodos

Exemplo: 10 anodos com d=20cm; L=200cm; s=500cm (dimensões com enchimento).                8 1 2 (0,656 ) 2 , n N s L d L n NL R_{vre  }     571, ,re v R

LOCAÇÃO DO CONJUNTO RETIFICADOR /

LEITO DE ANODOS EM UM SISTEMA POR

CORRENTE IMPRESSA

• Pré-requisito: entender o conceito da atenuação do potencial.

ATENUAÇÃO DE POTENCIAL

• É possível calcular o coeficiente de atenuação de potencial de proteção catódica:

• Onde:

– a: Coeficiente de atenuação;

– r: Resistência linear do duto (Ω/km);

– R_t: Resistência transversal do duto (Ωkm).

t

R r a 

ATENUAÇÃO DE POTENCIAL

• Resistência linear do duto:

• Onde:

– ρ(aço)=1,8x10-7_Ωm;

– e: Espessura do tubo (m);

– d: Diâmetro externo do duto (m).

1000     e d r aço  

ATENUAÇÃO DE POTENCIAL

• Resistência transversal do duto:

• Onde:

– R_e: Resistência específica do revestimento (Ωm2_); – d: Diâmetro externo do duto (m).

1000 1    d R R_t e 

ATENUAÇÃO DE POTENCIAL

• Tensão num ponto x do duto:

 

ax

V

V

_l



_x



cosh

ATENUAÇÃO DE POTENCIAL NA PRÁTICA

• Muito pouco utilizada...

• Vale mais a experiência do projetista e a realização de testes de campo.

• Calcula-se a corrente necessária para toda uma extensão de duto e define-se pela distribuição dos conjuntos retificadores e leitos de anodos.

ATENUAÇÃO DE POTENCIAL NA PRÁTICA

• O espaçamento do conjunto retificador / leito de anodos depende basicamente:

– Do número de dutos que se quer proteger; – Da qualidade do revestimento destes dutos; – Interferências elétricas e/ou outras situações

indesejadas.