Tecnología de Protección Catódica por Corriente Pulsada (PCCP)

Autor: Ph.D. Yolanda Reyes, 03 diciembre 2023.

Introducción

La utilización conjunta de sistemas de protección catódica convencionales y Protección Catódica por Corriente Pulsada puede aumentar la eficiencia del sistema de protección de una tubería enterrada cuando el sistema convencional por sí solo no garantiza un control adecuado. Para asegurar el transporte seguro y el almacenamiento de derivados del petróleo a través de tuberías, es fundamental aplicar diversos métodos de control de la corrosión, que abarcan recubrimientos, protección catódica y monitoreo de la corrosión.

La Protección Catódica (CP) ha demostrado ser un método de control eficiente para mitigar la corrosión, donde la estructura metálica a proteger actúa como cátodo conectado eléctricamente al ánodo, formando una celda electroquímica¹. La corriente necesaria para la CP se obtiene mediante un ánodo de sacrificio o por medio de una reacción anódica que ocurre en un lecho de ánodos.

En el caso de grandes estructuras expuestas a un ambiente corrosivo con una resistencia eléctrica relativamente alta del electrolito, el gradiente de potencial entre el cátodo y los ánodos galvánicos de sacrificio no es suficiente. Para suministrar suficiente corriente para proteger el cátodo, se utiliza Protección Catódica por Corriente Impresa (ICCP). Este método emplea una fuente de corriente continua en estado estacionario para proporcionar la corriente requerida para CP. 

Sin embargo, la Protección Catódica por Corriente Continua (DCCP), como técnica convencional presenta problemas tales como: alto consumo de corriente y energía, interferencia de corriente parásita² y desprendimiento catódico. En este contexto, en la búsqueda de resolver estas dificultades se están desarrollado mejoras en la Protección Catódica por Corriente continua, mediante el uso de corriente pulsada.

La Protección Catódica por Corriente Pulsada (PCCP) según estudios realizados³, ofrece un mayor control en la mitigación de la corrosión en tuberías revestidas enterradas en comparación con el método tradicional de corriente continua, siempre y cuando se seleccionen adecuadamente los parámetros de corriente por pulso. El propósito de este artículo es abordar la Protección Catódica por Corriente Pulsada (PCCP) como una opción innovadora para la prevención de la corrosión.

Protección Catódica por Corriente Continua (DCPP)

La protección catódica es un método de control en la lucha contra la corrosión, se define como el proceso de reducir la corrosión de un metal sumergido o enterrado en un electrólito. Este método transforma la superficie del metal en un cátodo, disminuyendo su potencial eléctrico al hacerlo más electronegativo.

Se logra aplicando corriente directa o mediante la conexión de un material de sacrificio, como magnesio, aluminio o zinc, como se puede apreciar en la siguiente video cortesía de YouTube. Su aplicación es común en estructuras de hierro y acero enterradas o sumergidas. La protección catódica es fundamental para preservar la integridad de las estructuras metálicas expuestas a entornos corrosivos.

Proteccion Catódica por Corriente Impresa. Video cortesía de YouTube

Factores externos e internos en la efectividad de la Protección Catódica por Corriente Continua (DCPP)

El desempeño de un sistema de DCCP, diseñado para mitigar la corrosión en estructuras metálicas, puede ser afectado por una serie de factores externos e internos ⁴. Estos elementos, tanto ambientales como los relacionados con el diseño y operación del sistema, desempeñan un papel fundamental en la capacidad del sistema para proporcionar una protección efectiva a lo largo del tiempo.

A continuación, se presentan los aspectos clave que afectan la efectividad de la protección catódica:

1. Corriente parásita y factores externos: La presencia de estas corrientes generadas por líneas eléctricas de alto voltaje en las proximidades de las tuberías puede representar un problema para la protección catódica. Estas corrientes externas pueden interferir con el flujo de corriente protectora, afectando la distribución y la cantidad de corriente hacia la estructura a proteger.
2. Inyección continua de corriente: Internamente, la inyección continua de corriente en el sistema catódico puede acelerar el proceso de evolución del hidrógeno, lo que puede provocar desprendimiento catódico, deslaminación de la estructura y sobreprotección; lo cual, pueden comprometer la integridad del sistema y su eficiencia de protección, especialmente en entornos corrosivos.
3. Limitaciones de la DCCP y revestimientos desprendidos: Las investigaciones han revelado que la (DCCP) puede ser insuficiente para controlar eficazmente la corrosión en situaciones donde existen desprendimientos de revestimientos⁴. Este escenario destaca la importancia de considerar soluciones alternativas, como la (PCCP).
4. Consideraciones de diseño y operación: Aspectos fundamentales del diseño del sistema, como la selección adecuada de materiales, disposición de ánodos, y el control preciso de la corriente, son factores importantes para optimizar la efectividad de la protección catódica. Además, las condiciones operativas, como cambios en la resistividad del suelo, deben monitorearse y ajustarse para mantener un rendimiento óptimo.

Comprender y considerar estos factores externos e internos es necesario para mantener la integridad de los sistemas de protección catódica y garantizar una protección eficaz contra la corrosión, alargando la vida útil de las estructuras.

Protección Catódica por Corriente Pulsada (PCCP)

La Protección Catódica por Corriente Pulsada (PCCP) se presenta como una alternativa de solución a los problemas antes mencionados referidos a la DCCP. Introducida por Heuze, inicialmente para abordar la corrosión de revestimientos de pozos, se propone como un procedimiento efectivo no solo para los revestimientos de pozos, sino también para tuberías enterradas, intercambiadores de calor, entre otros⁴.

Principio de Protección Catódica por Corriente Pulsada

Este método de control opera mediante el principio de los potenciales de pulso de CP para optimizar la distribución de corriente en una tubería, especialmente en presencia de defectos de recubrimiento. Este principio se fundamenta en la manipulación estratégica de la polarización por concentración durante los tiempos de encendido y apagado de la corriente pulsada.

La Figura 1, ilustra de forma esquemática la distribución de corriente en una tubería con defectos de recubrimiento bajo el potencial de pulso de protección catódica (CP) durante los períodos de encendido y apagado⁵. Durante los momentos de encendido, se observa que los cationes se acumulan en la superficie del acero, generando una polarización de la concentración del electrolito.  

En contraste, en los tiempos de apagado, los cationes se dispersan desde la superficie, debido a que el CP no está activo en ese intervalo. Como consecuencia, la superficie experimenta una despolarización temporal, eliminando la polarización de concentración y permitiendo una mayor penetración de la corriente CP en la superficie del acero. Estos dos fenómenos se asemejan a la carga y descarga de un condensador durante los momentos de encendido y apagado del CP.

En términos generales, mediante este proceso se logra una disminución de la resistencia a la polarización y a un aumento en la profundidad de penetración de la corriente de protección. Este resultado se explica considerando que la distribución óptima del potencial de CP se logra específicamente en niveles designados de ciclo de trabajo y frecuencia.

Es importante destacar que los recubrimientos no exhiben un comportamiento ideal en soluciones de electrolitos debido a defectos y degradación. Por lo tanto, el efecto capacitivo del recubrimiento varía con el tiempo, lo que puede afectar la impedancia del sistema.

Además, la impedancia del sistema se atribuye tanto al efecto inductivo de la tubería como a la resistencia del electrolito, donde la reactancia capacitiva e inductiva son componentes fundamentales del sistema, contribuyendo a la impedancia total de la celda.

La relación entre la reactancia capacitiva e inductiva con la frecuencia es inversa y directa, respectivamente. En consecuencia, ajustar la frecuencia y el ciclo de trabajo de manera óptima está estrechamente vinculado a los componentes principales del sistema, las condiciones ambientales y los parámetros de protección catódica (CP)⁵.

Beneficios de la Protección Catódica por Corriente Pulsada

La Protección Catódica por Corriente Pulsada ofrece una serie de beneficios en comparación con las corrientes continuas convencionales, especialmente en la preservación de tuberías enterradas revestidas. La aplicación de pulsos eléctricos de varios cientos de voltios, con períodos extremadamente breves y frecuencias de varios miles por segundo, se destaca como una alternativa más efectiva y rentable.

Entre los beneficios clave se incluyen una distribución de corriente más uniforme, una mejora en profundidad de corriente de protección, una disminución de la interferencia de corriente parásita y requisitos reducidos para el lecho de ánodo.

Este método de control por pulsos no solo optimiza la eficiencia de la protección catódica, sino que también ha demostrado su eficacia, respaldado por principios operativos sólidos, circuitos eléctricos equivalentes y consideraciones de diseño bien fundamentadas.

Entre los beneficios clave se incluyen los siguientes:

1. Distribución de corriente uniforme: La tecnología de corriente pulsada garantiza una distribución más uniforme de la corriente a lo largo de tuberíasrevestidas en áreas desprotegidas, optimizando la eficiencia general del proceso.
2. Mayor profundidad de protección: La aplicación de pulsos eléctricos de alta frecuencia permite alcanzar una mayor profundidad de protección en comparación con las corrientes continuas convencionales. Esto es fundamental para asegurar un control contra la corrosión en entornos específicos.
3. Reducción de interferencia de corriente parásita: La tecnología pulsada minimiza la interferencia de corriente parásita, un problema común en entornos donde líneas eléctricas de alto voltaje rodean las estructuras. Esta reducción mejora la precisión y estabilidad del proceso de protección catódica.
4. Requisitos reducidos para el lecho de ánodo: La eficiencia de protección mejora notablemente, y los requisitos para el lecho de ánodo se reducen en comparación con las corrientes continuas. Esto implica una implementación más eficaz y económica de la tecnología.
5. Validación en entornos de campo: La experiencia en el registro de protección catódica en campo respalda la eficacia de la corriente pulsada.
6. Principios operativos y circuitos eléctricos equivalentes: Respaldan la aplicación de corriente pulsada, garantizando su coherencia y eficacia, Así mismo, los circuitos eléctricos equivalentes proporcionan una base técnica para su implementación.
7. Consideraciones de diseño: Están respaldadas por fundamentos, asegurando una implementación efectiva y segura de la Protección Catódica Por Corriente Pulsada.

En resumen, la tecnología de corriente pulsada destaca por sus beneficios significativos, que abordan eficazmente los problemas asociados con la corrosión en estructuras específicas.

Investigación y desafíos actuales en Protección Catódica por Corriente Pulsada

La Protección Catódica por corriente Pulsada (PCCP) surge como una alternativa de solución en protección catódica en la lucha contra la corrosión, desafiando los paradigmas establecidos por las técnicas convencionales. La investigación en este campo ha ganado impulso, buscando descubrir los secretos de esta tecnología innovadora y abordar sus desafíos inherentes.

Investigaciones recientes han proporcionado información sobre la eficacia de la PCCP, con respecto a las corrientes continuas convencionales. Los pulsos eléctricos de alta frecuencia, aplicados estratégicamente, ofrecen una distribución de corriente más uniforme y una mayor profundidad de protección. Estos avances prometen innovar la forma de mitigar la corrosión en estructuras enterradas⁵.

En el desarrollo de estos estudios se han analizado los efectos combinados de la cantidad reducida de corriente requerida por PCCP en comparación con DCCP y sobre la significativa reducción del consumo de corriente. La relación entre frecuencia, ciclo de trabajo y la distancia bajo revestimientos desprendidos aún no se ha abordado de manera integral; sin embargo, los circuitos eléctricos de PCCP han sido examinados desde una perspectiva electrónica, sin considerar adecuadamente la frecuencia y el ciclo de trabajo.

Aunque la PCCP presenta prometedores beneficios, no está exenta de desafíos. La mitigación de la interferencia de corriente parásita, la optimización de la relación entre frecuencia y ciclo de trabajo, y la comprensión completa de los efectos a largo plazo son temas críticos que aún requieren atención.

Interferencia de corriente parásita: Uno de los desafíos más destacados es la interferencia de corriente parásita, especialmente en entornos industriales complejos. Investigadores estudian soluciones que minimicen este efecto, permitiendo que la PCCP despliegue todo su potencial sin perturbaciones externas.

Óptima relación frecuencia-ciclo de trabajo: Determinar la relación óptima entre la frecuencia de los pulsos y el ciclo de trabajo es significativo para maximizar la eficiencia de la PCCP y encontrar este equilibrio perfecto que garantice una protección efectiva sin un consumo excesivo de energía.

Efectos a largo plazo: Aunque los resultados iniciales son prometedores, comprender los efectos a largo plazo de la PCCP es decisivo. La investigación comprenden el análisis de la durabilidad de la protección, la resistencia a factores ambientales cambiantes y la evaluación continua de la integridad estructural.

Perspectivas futuras

A medida que los investigadores se sumergen en estos desafíos, la Protección Catódica por Corriente Pulsada se presenta como un método de control efectivo en la lucha contra la corrosión. El camino hacia su implementación generalizada implica superar retos a través de la colaboración entre la academia, la industria y los organismos reguladores.

En última instancia, la investigación actual en PCCP no solo se centra en optimizar la tecnología, sino en asegurar su adopción, sostenible y eficaz a largo plazo. Estos descubrimientos y superación de desafíos prometen un futuro donde la corrosión es mitigada, innovando los métodos tradicionales de protección catódica para una mayor eficiencia en el control.

Conclusiones

1. La tecnología de Protección Catódica por Corriente Pulsada (PCCP), se presenta como una alternativa prometedora y eficiente para combatir la corrosión en estructuras metálicas. Sus beneficios, como la distribución uniforme de corriente y mayor alcance de profundidad de protección, destacan su capacidad para superar limitaciones asociadas con métodos convencionales de protección catódica.
2. La PCCP surge como una solución innovadora en la mitigación de la corrosión, ofreciendo una mayor eficacia en comparación con métodos tradicionales. A medida que la investigación y desarrollo continúan, la implementación exitosa de la PCCP puede representar un avance significativo en la preservación de estructuras metálicas expuestas a entornos corrosivos.

Referencias bibliográficas

1. Shigeru. A y colaboradores; “Manual de electroquímica”; ScienceDirect. 2007, Páginas xix-xx
2. Ormellese. S, Beretta. M, Brugnett. F, Brenna. A; “Effects of non-stationary stray current on carbon steel buried pipelines under cathodic protection” Constr. Build. Mater., 281 (2021), Article 122645
3. Heuze. B; Una nueva técnica de protección catódica basada en el ajuste de la cantidad de electricidad al potencial en: Actas de la Primera Conferencia Internacional sobre Corrosión Metálica, Londres 2023, pág. 394.
4. Barnes.JR, Bein. R, Doniguian.TM; “Medición de la corrosión debajo de un revestimiento no adherido”; Corrosión, San Antonio 2020, págs., 25-30
5.  Afshari. M, y colaboradores; “Investigation on utilizing pulse CP in a city gas station: A comparison with conventional CP”; Journal of Pipeline Science and Engineering, June 2023, 100109.

Sobre el autor

Ing. Yolanda C Reyes, Ph.D, en Electroquímica y Corrosión, con más de 30 años de experiencia y un amplio y versátil conocimiento en Ciencias de la Corrosión   y Tecnología Química a nivel Académico e Industrial. Investigador en el desarrollo de trabajos de investigación en Innovación y desarrollo de Recubrimientos Poliméricos Electroactivos, evaluación de recubrimientos e inhibidores de la corrosión y análisis de fallas de materiales metálicos. Asesor de planes de programas de mantenimiento en la industria en empresas petroleras, al frente de obras de servicios de limpiezas químicas y mecánicas de equipos tales como: Calderas, Intercambiadores de calor, entre otros.