Los estudios de potencial eléctrico suelen ser necesarios en estructuras protegidas catódicamente, como las tuberías subterráneas. Sin embargo, comprobar que un sistema de protección catódica proporciona el grado de protección contra la corrosión esperado puede ser una tarea lenta y propensa a errores. Es habitual interrumpir la fuente de CP para realizar estos sondeos, cuya precisión se ve afectada por varios factores, entre ellos la presencia y el diseño de los desacopladores de CC.
En este artículo se analiza cómo y por qué los desacopladores tradicionales pueden afectar a las mediciones de levantamientos interrumpidos y a los datos instantáneos, y se revisan algunas soluciones existentes a estos problemas. Se presentará una nueva solución de desacoplador para garantizar la precisión, eficacia y seguridad de los levantamientos interrumpidos.
Encuestas interrumpidas y desacopladores
Observa tus formas de onda
El objetivo de los estudios de potencial es evaluar la eficacia del sistema de protección catódica (PC) midiendo el potencial polarizado de la tubería. Sin embargo, las mediciones del potencial de la tubería al suelo se ven influidas por la corriente CP, que introduce un error de medición conocido como caída IR. Para eliminar este error, las fuentes CP se interrumpen momentáneamente de forma sincrónica, tras lo cual se miden los potenciales, pero antes de que la tubería se despolarice. Los potenciales medidos de esta forma se denominan potenciales instantáneos. Estas mediciones interrumpidas se recogen normalmente a lo largo de la tubería como parte de un Estudio de Intervalo Cercano (CIS) o un Estudio de Potencial de Intervalo Cercano (CIPS). En la figura 1 se muestra una respuesta típica de potencial instantáneo.
Figura 1 - Respuesta instantánea típica medida en una tubería.
Idealmente, las mediciones de apagado instantáneo se toman entre 300 y 400 milisegundos (ms) después de la interrupción. Por lo general, se trata de un tiempo lo suficientemente largo como para evitar cualquier pico que pueda producirse tras la interrupción, pero lo suficientemente corto como para minimizar la despolarización de la tubería y reducir al mínimo la duración del ciclo OFF y, por lo tanto, el tiempo total necesario para realizar el estudio.
Sin embargo, la respuesta interrumpida de los sistemas de tuberías puede variar enormemente en función de parámetros del sistema como la resistividad del suelo, la longitud y el diámetro de la tubería, el revestimiento de la tubería, las vacaciones de revestimiento y el número de desacopladores presentes. Ciertas combinaciones de estos parámetros pueden cambiar significativamente la respuesta y, si no se tienen en cuenta, pueden conducir a lecturas instantáneas que son más electro-negativas que el verdadero potencial polarizado. Por lo tanto, antes de registrar las mediciones de desconexión instantánea, los técnicos de CP deben evaluar la respuesta interrumpida para determinar las duraciones de ciclo ON-OFF y los tiempos de medición de desconexión instantánea adecuados, así como para tener en cuenta cualquier problema de interferencia.
El dilema del desacoplador
Los desacopladores de CC desempeñan un papel fundamental en la mayoría de los sistemas CP, ya que proporcionan un aislamiento de CC eficaz de las estructuras protegidas catódicamente de otros objetos y sistemas de puesta a tierra, al tiempo que unen la estructura a tierra para CA (estado estacionario inducido y fallos) y rayos. Comúnmente empleados en sistemas de mitigación de CA, los desacopladores utilizan un condensador para proporcionar una vía de conducción continua para que la corriente de CA inducida en estado estacionario pase a tierra. El condensador debe ser lo suficientemente grande como para presentar una impedancia adecuadamente baja a la CA inducida y minimizar así la tensión de CA en la tubería. Sin embargo, esta capacitancia puede tener un efecto perjudicial en la respuesta de desconexión instantánea de los sondeos interrumpidos. Este efecto puede observarse comparando las formas de onda mostradas en la figura 2.
Figura 2 Respuesta Instant-Off con y sin desacoplador tradicional
En este ejemplo, había ocho desacopladores instalados en un segmento de tubería de aproximadamente 53 km de longitud. Obsérvese que el cambio en la respuesta debido a la adición de los desacopladores puede introducir un error significativo en la medición del instante de desconexión, dependiendo del momento en que se tome la muestra.
Conociendo este fenómeno, surgen varias preguntas: ¿En qué momento del ciclo OFF deben muestrearse los datos de desconexión instantánea? ¿En qué momento del ciclo de apagado puede tomarse una medición de apagado instantáneo con la seguridad de que la tubería no se ha despolarizado? ¿Cuál es la consistencia de este efecto a lo largo de la tubería? Éstas son preguntas que han atormentado a los técnicos de CP durante años.
Por qué los desacopladores afectan a la respuesta interrumpida: un sencillo modelo eléctrico
Del mismo modo que la conducción de un coche no sólo depende del índice de elasticidad de la suspensión, sino también de los amortiguadores y de la masa del vehículo, la respuesta instantánea en una tubería se ve influida por la capacitancia del desacoplador en combinación con otros parámetros físicos del sistema tubería/ICCP/desacoplador, principalmente el revestimiento de la tubería y la resistividad del suelo.
Para comprender mejor cómo influyen estos parámetros en la respuesta interrumpida, sería útil analizar el sistema tubería/ICCP/desacoplador mediante un circuito eléctrico sencillo, como se muestra en la figura 3.
Figura 3. Modelo eléctrico simple de una tubería, sistema ICCP y desacopladores tradicionales
En este modelo, la tubería está representada por la resistencia longitudinal, RL, y la inductancia, LL, junto con la resistencia del revestimiento, RS, en paralelo con la capacitancia de la interfaz tubería/suelo, CS. El voltaje que se desarrolla en la interfaz tubería/suelo debido a la polarización se denota por ES. Además, el metal de la tubería presenta un potencial de corrosión CC con respecto al suelo EP, que suele tener una magnitud aproximada de -0,6VCSE. Por último, existe una resistencia, RP, entre la superficie exterior del revestimiento de la tubería y la tierra remota. El rectificador y el interruptor del sistema CP se denominan VR y S1 respectivamente. Cuando la tubería está protegida por el sistema CP, S1 está cerrado, lo que permite suministrar corriente continua, ICP, a la tubería a través de un lecho anódico con resistencia RA.
Cuando se instalan desacopladores, se añade una capacitancia adicional (CD) al sistema, junto con la tensión asociada a través del desacoplador (ED). El sistema de puesta a tierra del desacoplador tiene un potencial de corrosión denominado EG y una resistencia a tierra remota, RG.
Con la corriente CP aplicada, una vez que el condensador desacoplador se ha cargado completamente, la corriente continua a través del desacoplador cae a cero y, siguiendo la ley de Kirchoff, el equilibrio de tensión en este circuito puede representarse mediante la siguiente ecuación:
ES + EP + ICP x RP = ED + EG
Cuando se interrumpe la corriente CP, ICP cae a cero y, dado que los potenciales de corrosión EP y EG permanecen constantes, las tensiones ES y ED responden para compensar el cambio en ICP (es decir, la tubería comienza a despolarizarse y el condensador desacoplador disipa la carga almacenada). Esto da lugar a un flujo transitorio de corriente desde el desacoplador que actúa esencialmente como una fuente ininterrumpida e introducirá un error en las mediciones de desconexión instantánea hasta que la carga a través del condensador se disipe por completo.
Aunque el sistema real es mucho más complejo, en general, la respuesta interrumpida de este sistema puede caracterizarse por la de un circuito RC (Resistencias + Condensadores). La respuesta escalonada de un circuito RC tiene un decaimiento exponencial para el que la tasa de decaimiento en el tiempo es inversamente proporcional al producto de la resistencia y la capacitancia del circuito, comúnmente denominada constante de tiempo RC. En un circuito de canalización, cuanto mayor sea la constante de tiempo RC, más tiempo tardará en disiparse la carga del desacoplador tras la interrupción, y mayor será el reto de recopilar mediciones precisas de desconexión instantánea en el momento oportuno.
En una tubería típica protegida catódicamente, la parte de resistencia de la constante de tiempo RC está influenciada tanto por la resistencia de la tubería a tierra remota, RP, como por la resistencia del revestimiento de la tubería, RS. La resistividad del suelo cerca de la tubería es la que más contribuye a la Rp y a la resistencia general del circuito. A medida que se han introducido mejoras en los revestimientos de las tuberías a lo largo de los años, la parte de RS de la resistencia total del circuito ha aumentado. Pero la RS tiende a reducirse con una mayor superficie de la tubería (es decir, un mayor diámetro de la tubería y un segmento de tubería más largo), ya que el número de vacaciones posibles suele aumentar con la superficie. La resistencia del sistema de puesta a tierra del desacoplador, RG, suele ser baja por diseño, por lo que no suele influir significativamente en la constante de tiempo RC. La capacitancia del circuito está controlada principalmente por la capacitancia del desacoplador.
Dadas estas influencias paramétricas relativas en el sistema de tuberías/ICCP/desacoplador, las combinaciones de las siguientes tendencias pueden dar lugar a constantes de tiempo RC del sistema mayores y, por tanto, a una mayor probabilidad de experimentar problemas a la hora de recopilar mediciones precisas de desconexión instantánea en los 300-400 ms posteriores a la interrupción.
- Una mayor densidad de desacopladores tradicionales (número de desacopladores por longitud de tubería).
- Mayor resistividad del suelo
- Revestimiento de tuberías de mayor resistencia
- Tuberías de menor diámetro
- Segmento de tubería más corto
Soluciones tradicionales
¿Cómo pueden realizarse encuestas interrumpidas precisas y oportunas si los desacopladores forman parte del sistema?
Históricamente, ha habido métodos para hacer frente a los efectos descritos anteriormente. Sin embargo, como se explicará, cada una de estas soluciones tradicionales presenta importantes deficiencias.
Desconexión de desacopladores
Una solución habitual es desconectar temporalmente los desacopladores de la tubería durante el sondeo. Esto es eficaz para eliminar el flujo de corriente transitoria durante el ciclo OFF y la caída de IR resultante, ya que la capacitancia del desacoplador se ha eliminado del sistema. Esto se puede conseguir desconectando físicamente los cables o instalando y utilizando interruptores de aislamiento del desacoplador. Sin embargo, hay varias razones por las que esta opción debe evaluarse cuidadosamente. En primer lugar, mientras los desacopladores, y por lo tanto el sistema de mitigación de CA, están desconectados, la tubería no está protegida de la CA inducida, los fallos de CA o los rayos, y puede haber tensiones peligrosas en la tubería. Esto supone un riesgo para la seguridad de las personas que realizan la inspección interrumpida o de cualquier otra persona que esté en contacto con la tubería o sus accesorios. Además, mientras los desacopladores están desconectados, la tubería puede quedar expuesta a los efectos dañinos de la corrosión por corriente alterna. Otro inconveniente de este método es el tiempo que se necesita para desconectar y volver a conectar todos los desacopladores del circuito de tuberías que se está estudiando, lo que aumenta el tiempo y el coste necesarios para realizar una inspección interrumpida.
Prolongación del ciclo OFF
Otro método para realizar sondeos interrumpidos precisos y oportunos consiste en prolongar el ciclo OFF del rectificador para asegurarse de que la respuesta se ha estabilizado. Deben evaluarse formas de onda de muestra en varios puntos a lo largo de la tubería para determinar el tiempo de ciclo ON-OFF óptimo necesario. El inconveniente obvio de este enfoque es que podría dar lugar a un estudio mucho más lento y costoso. Se han observado algunas aplicaciones que requerirían ciclos OFF del orden de 10 segundos para que la carga del condensador se disipara suficientemente.
[image-gallery display=”inline”] Figure 4. AC Mitigation With Next Generation PCRX Decoupler
Una nueva solución: compensación activa de capacitancias
Ya está disponible una nueva tecnología de desacopladores que puede superar la lenta respuesta a la interrupción asociada a la capacitancia de los desacopladores tradicionales, a la vez que proporciona todas las mismas ventajas de los desacopladores tradicionales de estado sólido. El PCRX permanece en el circuito en todo momento durante un sondeo interrumpido para proporcionar una protección continua contra las interferencias de CA, aunque elimina prácticamente el efecto de la capacitancia común a los desacopladores tradicionales. Esta nueva tecnología de desacopladores utiliza un sofisticado tratamiento de señales patentado que da como resultado respuestas interrumpidas similares a las de no tener desacopladores presentes en el circuito. Los dispositivos PCRX ofrecen el mismo rendimiento de aislamiento de CC que los diseños tradicionales y están disponibles con valores nominales estándar similares a los de los desacopladores tradicionales.
Resultados de las pruebas de campo
El PCRX se ha probado en varias instalaciones de mitigación de CA de tuberías en una amplia variedad de condiciones del sistema, como la resistividad del suelo, el diámetro de la tubería y la longitud del segmento de tubería, la densidad del desacoplador y los segmentos de tubería aislados y no aislados. Dado que varios factores distintos de la capacitancia del desacoplador pueden influir en la respuesta interrumpida, el rendimiento de los desacopladores se midió comparando las formas de onda de la respuesta interrumpida con y sin los desacopladores instalados.
En la figura 5 se muestra una forma de onda de un sondeo interrumpido realizado en una tubería situada en el oeste de Estados Unidos. La tubería tenía un diámetro de 24 pulgadas, era eléctricamente continua a lo largo de aproximadamente 53 km y estaba recubierta con una resina epoxídica unida por fusión (FBE). Había ocho lugares de instalación de desacopladores a lo largo de este segmento de tubería y las condiciones del suelo eran arenosas y secas. Todas las formas de onda mostradas se tomaron el mismo día.
Figura 5. Formas de onda de respuesta interrumpida. Lugar de la prueba CK-810.
Observe que la respuesta con los dispositivos PCRX instalados imita fielmente la respuesta con los desacopladores desconectados. Se elimina el error de medición asociado a la capacitancia del desacoplador.
La figura 6 muestra otro conjunto de formas de onda tomadas en una tubería diferente del medio oeste de Estados Unidos. Este segmento lateral de tubería tenía 3,2 km de longitud y una mezcla de tuberías de 6 y 8 pulgadas de diámetro, todas con revestimiento FBE. Había ocho puntos de desacoplamiento a lo largo de este segmento. Sin embargo, este segmento de tubería no estaba aislado de la tubería principal, en la que se instalaron desacopladores adicionales. El suelo era tierra agrícola húmeda.
Si se comparan estas formas de onda con las de la figura 5, es interesante observar la lentitud extrema de la respuesta de cada una de ellas, especialmente la de la prueba con los desacopladores tradicionales instalados (nótese que el ciclo OFF se acortó para la prueba con desacopladores tradicionales, pero la tendencia sigue siendo evidente). La menor resistividad del suelo en el último ejemplo llevaría a esperar una constante de tiempo RC menor y, por tanto, un decaimiento más rápido de la respuesta interrumpida. Sin embargo, en esta instalación, la densidad de los desacopladores tradicionales es en promedio 16 veces superior a la de la figura 5 y esta diferencia en la capacitancia del desacoplador supera la diferencia en las condiciones del suelo entre las dos aplicaciones.
También cabe destacar que incluso la respuesta interrumpida con los desacopladores desconectados es extremadamente lenta y daría lugar a mediciones instantáneas erróneas de aproximadamente 70 mV demasiado electronegativos si se tomaran en los 0,5 s siguientes a la interrupción. Esta lentitud de respuesta se debe a que el segmento de tubería sometido a prueba no está aislado de la tubería principal, donde hay instalados otros desacopladores, y pone de manifiesto la necesidad, al menos en este caso, de aplicar dispositivos PCRX en todos los puntos de desacoplamiento.
Como en el ejemplo anterior, la respuesta con el PCRX instalado vuelve a coincidir con la respuesta con los desacopladores desconectados. Este comportamiento fue similar en todas las pruebas realizadas con estos nuevos desacopladores, lo que valida el rendimiento de esta nueva tecnología de camuflaje.
Figura 6. Formas de onda de respuesta interrumpida. Lugar de ensayo WO-08.
Ventajas de la tecnología de desacoplamiento "camuflaje
Encuestas potenciales más precisas
Cuando se instala correctamente en tuberías aisladas, el PCRX puede eliminar prácticamente el error de medición asociado a la capacitancia del desacoplador. Debido a los efectos capacitivos de los desacopladores tradicionales, a menos que se preste una atención considerable a las formas de onda y a la sincronización adecuada de las mediciones de desconexión instantánea a lo largo de una inspección, existe una probabilidad significativa de registrar potenciales de desconexión demasiado electronegativos y, por lo tanto, de no identificar potencialmente una tubería insuficientemente protegida.
Encuestas más seguras
Con el PCRX instalado, no es necesario desconectar los desacopladores durante una inspección. La corriente alterna inducida, así como los posibles fallos de corriente alterna y los rayos, pasan a tierra y la tensión alterna en la tubería se mantiene en niveles seguros durante toda la inspección. Esto también garantiza que las medidas para mitigar la corrosión por corriente alterna se mantengan durante la inspección.
Encuestas más rápidas y menos costosas
Por último, es probable que el tiempo y el coste de realización del estudio se reduzcan con respecto a las soluciones tradicionales. El tiempo adicional necesario para desconectar/reconectar los desacopladores o para prolongar los ciclos de desconexión lo suficiente para obtener una medición válida puede añadir muchas horas y un coste significativo a un estudio típico. El PCRX elimina este tiempo añadido y los costes recurrentes asociados.
Resumen
Las inspecciones interrumpidas en estructuras protegidas catódicamente están sujetas a muchas variables que influyen en la precisión, el tiempo y el coste de la inspección. Los desacopladores de CC tradicionales, utilizados a menudo para la mitigación de CA, el bloqueo de CC y la puesta a tierra de seguridad, pueden tener un efecto notable en los potenciales medidos durante una inspección interrumpida, lo que puede dar lugar a conclusiones inexactas sobre el estado de protección de la estructura. Algunos parámetros clave del circuito del sistema CP, incluida la capacitancia de los desacopladores tradicionales, tienen una influencia significativa en la respuesta interrumpida. Cuando estos factores dan lugar a tiempos de disipación del desacoplador excesivamente largos durante el ciclo OFF, es probable que se produzcan errores de medición o que se requiera un esfuerzo considerable para mitigarlos.
En este artículo se describe la nueva tecnología de desacopladores del PCRX, que permite realizar sondeos con interrupción más precisos y eficaces, manteniendo al mismo tiempo las ventajas de seguridad para las que están previstos los desacopladores. El PCRX prácticamente se "camufla" tras la interrupción y da lugar a respuestas interrumpidas y mediciones instantáneas casi idénticas a las medidas sin desacopladores instalados. Esta tecnología ha demostrado su eficacia en una amplia gama de condiciones de campo.