PROTEÇÃO CATÓDICA EFETIVO COMBATE À CORROSÃO ELETROQUÍMICA

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1 PROTEÇÃO CATÓDCA EFETVO COMBATE À CORROSÃO ELETROQUÍMCA PARTE 4: DMENSONAMENTO Este material contém informações classificadas como NP-1 FLUXOGRAMA DE UM PROJETO

2 CALCULANDO A CORRENTE NECESSÁRA A demanda de corrente total pode ser determinada usando-se a Equação: tot S j f C k ONDE: S = superfície da estrutura a proteger (m 2 ); j = densidade de corrente (A/m 2 ); f C = fator de falha do revestimento, adimensional; k = coeficiente de segurança (entre 1 e 1,25). SSTEMAS SUBMARNOS 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.

3 DENSDADE 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. DENSDADE DE CORRENTE Obtenção da densidade de corrente: Levantamento de curvas de polarização em laboratório; Associada à resistividade do eletrólito; nformações normativas ou literárias; Utilização de experiências práticas.

4 DENSDADE DE CORRENTE Exemplo de curva obtida em laboratório: DENSDADE 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 Ω.cm): ONDE: j 73,73 13,35log j = densidade de corrente (ma/m 2 ); ρ = resistividade média do solo (Ω.cm).

5 DENSDADE DE CORRENTE Exemplos de fontes normativas: Ambiente Solos diversos Água do mar Água do mar Densidade de corrente (ma/m 2 ) 5 a a a 250 Fonte SO SO DNV RP B401 A densidade depende das condições do eletrólito! DENSDADE DE CORRENTE Exemplo de fonte literária: plataforma fixa

6 FATOR DE FALHA DO REVESTMENTO Exemplo de fonte normativa (SO ): f C fi ( f t) EFCÊNCA DO REVESTMENTO Exemplo de fonte normativa (DNV RP B401): f C a ( bt)

7 DENSDADE DE CORRENTE PARA ESTRUTURAS REVESTDAS (j C ) Exemplo de fonte normativa (SO ): Neste caso: S tot j C EXERCÍCO 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: Ω.cm. OBS: Utilizar k=1

8 EXERCÍCO 1 Área do duto: S D L 2 S m Densidade de corrente: j 73,73 13,35log( ) j ma/ m Revestimento: f f C C fi ( f t) 2 Corrente total: tot tot S j f C A EXERCÍCO 1 Área do duto: S D L S m Densidade de corrente: j 73,73 13,35log( ) j 9,94mA / m Revestimento: f f C C fi ( f 0, t) Corrente total: tot tot S j 16,66A f C

9 EXERCÍCO 2 Repetir o exercício anterior substituindo o polietileno por coal-tar. Revestimento: f f C C fi ( f Corrente total: t) tot tot S j f C A EXERCÍCO 2 Repetir o exercício anterior substituindo o polietileno por coal-tar. Revestimento: f f C C fi ( f 0,028 Corrente total: tot tot S j 66,63A t) f C

10 CÁLCULO DAS RESSTÊNCAS DO CRCUTO Definição da escolha do tipo de sistema: CÁLCULO DAS RESSTÊNCAS DO CRCUTO

11 RESSTÊNCA DO ANODO Resistência de um anodo instalado verticalmente com a terra: R v, re 8L n 1 2L d Onde: ρ: Resistividade elétrica do solo (Ωm); L: Comprimento do anodo; d: Diâmetro do anodo. RESSTÊNCA DO ANODO Resistência de um anodo instalado verticalmente com a terra:

12 RESSTÊNCA DO ANODO Resistência de vários anodos instalados verticalmente com a terra: 8L 2L R v, re n 1 n(0,656n) 2NL d s Onde: ρ: Resistividade elétrica do solo (Ωm); L: Comprimento do anodo; d: Diâmetro do anodo; N: Número de anodos; s: Espaçamento entre anodos. RESSTÊNCA DO ANODO Resistência de um anodo instalado horizontalmente com a terra: 2 L 2 R h re n L td, R h, re n 2 2L d Para : t L Para : t L Onde: ρ: Resistividade elétrica do solo (Ωm); L: Comprimento do anodo; d: Diâmetro do anodo; t: Profundidade. L

13 RESSTÊNCA DO ANODO Resistência de um anodo instalado horizontalmente com a terra: RESSTÊNCA DO DUTO Pode-se estabelecer ou calcular a resistência de contato do duto com o solo, através do revestimento:

14 RESSTÊNCA 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: R p, re Onde: R p,re : Resistência do duto para a terra (Ω); r c : Resistência específica do revestimento (Ωm 2 ); A S : Superfície do duto (m 2 ); r' A c S RESSTÊNCA ESPECÍFCA DO REVESTMENTO 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: > Ωm 2 Coal tar: Entre e Ωm 2

15 RESSTÊNCA ESPECÍFCA DO REVESTMENTO 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 Ωm 2 (em 1000 Ωcm) em um solo de resistividade de 7000 Ωcm. RESSTÊNCA ESPECÍFCA DO REVESTMENTO Calcular a resistência específica para a resistividade de 7000 Ωcm: ( duto) r' c (7000 cm) r' c (1000cm) r' (7000 cm) m Superfície do duto: c A S D L 2 m Resistência do revestimento: r' c Rp, re A S

16 RESSTÊNCA ESPECÍFCA DO REVESTMENTO Calcular a resistência específica para a resistividade de 7000 Ωcm: ( duto) r' c (7000 cm) r' c (1000cm) r' (7000 cm) m Superfície do duto: c A S D L 2 688m Resistência do revestimento: r' c Rp, re 50, 9 A 688 S RESSTÊNCA DO CABO ELÉTRCO 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 corrente necessária.

17 CAPACDADE DE CONDUÇÃO DO CABO ELÉTRCO CÁLCULO DA VDA ÚTL DOS ANODOS CONSUMÍVES 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.

18 CÁLCULO DA VDA ÚTL DOS ANODOS CONSUMÍVES Taxa de consumo típicos para diferentes anodos no solo: CÁLCULO DA VDA ÚTL DOS ANODOS CONSUMÍVES GALVÂNCOS M P V 8760 Fu C Onde: M: Massa de anodos (kg); P : Corrente de proteção (A); V: Vida útil (Anos); Fu: Fator de utilização; C: Capacidade de corrente (Ah/kg).

19 CÁLCULO DA VDA ÚTL DOS ANODOS CONSUMÍVES GALVÂNCOS Capacidade de corrente por tipo de anodo: Zn = 740 Ah/kg; Mg = Ah/kg; Al = Ah/kg. Dutos terrestres Fator de utilização depende da geometria do anodo: 0,90 = Cilíndricos e em barra; 0,85 = Planos; 0,75 = Braçadeira. CÁLCULO DA VDA ÚTL DOS ANODOS CONSUMÍVES NERTES M 0, 85 D P V Onde: M: Massa de anodos (kg); 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.

20 CÁLCULO DO NÚMERO DE ANODOS GALVÂNCOS (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. n M (massa mínima necessária) (massa líquida do anodo) M liq CÁLCULO DO NÚMERO DE ANODOS GALVÂNCOS (2) É preciso verificar se os anodos enterrados irão fornecer a corrente de proteção catódica necessária. V anodo Rtotal Onde: ΔV: Diferença de potencial do anodo e a estrutura polarizada (-850mV); R: Resistência do leito de anodos + resistência do duto

21 POTENCAS NOMNAS DOS ANODOS GALVÂNCOS Anodo Magnésio Zinco Alumínio Potencial -1,55 a -1,75V -1,10V -1,05 a -1,10V LOCAÇÃO DO LETO DE ANODOS EM UM SSTEMA POR CORRENTE GALVÂNCA 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 distribuição da corrente.

22 EXERCÍCO 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/m 2 ; Resistividade do solo: Ωcm; Vida útil do sistema: 10 anos; Resistência do duto com o solo desprezível. EXERCÍCO 4 1º passo: Calcular a corrente requerida: S S D L 2.873m 2 S j 0,575A f C 2º passo: Calcular a massa total de anodo: 8760 P V M Fu C M 51kg

23 EXERCÍCO 4 3º passo: Escolher o anodo (N-1783): 3 anodos MCE-20,8 EXERCÍCO 4 4º passo: Verificar a corrente fornecida por anodo: R R R v, re v, re v, re 8L n 1 2L d n ,1 1 1,75 0,85 14,1 tot 192 ma 64mA

24 EXERCÍCO 4 5º passo: Escolher outro modelo de anodo: 11 anodos MCE-5,3 EXERCÍCO 4 6º passo: Verificar a corrente fornecida por anodo: R R R v, re v, re v, re 8L n 1 2L d n ,6 1 1,75 0,85 16,6 tot 594 ma 54mA

25 CÁLCULO DO RETFCADOR E LETO DE ANODOS NERTES Assim como num sistema galvânico, é preciso calcular a corrente de proteção catódica fornecida. V anodo 0, 9 Rtotal 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. EXERCÍCO 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/m 2 ; Resistividade do solo: Ωcm; Resistência do duto com o solo 1 Ω.

26 EXERCÍCO 5 1º passo: Calcular a corrente requerida: S S D L m 2 S j 6,7 A f C 2º passo: Escolhendo uma tensão de saída para o retificador: 30V R R máx máx VRET 0,9 Rp, 3,0 e EXERCÍCO 5 3º passo: Calcular a resistência do leito de anodos 8L 2L n 1 n(0,656 ) 2NL d s R N v, re Exemplo: 10 anodos com d=20cm; L=200cm; s=500cm (dimensões com enchimento). R v,re 1, 57

27 LOCAÇÃO DO CONJUNTO RETFCADOR / LETO DE ANODOS EM UM SSTEMA POR CORRENTE MPRESSA Pré-requisito: entender o conceito da atenuação do potencial. ATENUAÇÃO DE POTENCAL É possível calcular o coeficiente de atenuação de potencial de proteção catódica: a r Onde: a: Coeficiente de atenuação; r: Resistência linear do duto (Ω/km); R t : Resistência transversal do duto (Ωkm). R t

28 ATENUAÇÃO DE POTENCAL Resistência linear do duto: aço r 1000 d e Onde: ρ(aço)=1,8x10-7 Ωm; e: Espessura do tubo (m); d: Diâmetro externo do duto (m). ATENUAÇÃO DE POTENCAL Resistência transversal do duto: Onde: R t Re d R e : Resistência específica do revestimento (Ωm 2 ); d: Diâmetro externo do duto (m).

29 ATENUAÇÃO DE POTENCAL Tensão num ponto x do duto: V l V x cosh ax ATENUAÇÃO DE POTENCAL NA PRÁTCA 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.

30 ATENUAÇÃO DE POTENCAL NA PRÁTCA O espaçamento do conjunto retificador / leito de anodos depende basicamente: Do número de dutos que se quer proteger; Da qualidade do revestimento destes dutos; nterferências elétricas e/ou outras situações indesejadas. FM DA PARTE 4