EFICIÊNCIA DE LEITOS CONVENCIONAIS DE ÂNODOS VERSUS LEITOS EM POÇO VERTICAL PROFUNDO PARA PROTEÇÃO CATÓDICA DE TUBULAÇÕES EM PLANTAS PETROQUÍMICAS UMA EXPERIÊNCIA PRÁTICA Luciano Pereira da Silva Francisco Müller Filho Katódica Projetos Eletrônicos e Serviços Ltda. 6 COTEQ Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos 22 CONBRASCORR Congresso Brasileiro de Corrosão Salvador - Bahia 19 a 21 de agosto de 2002 As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos autores.
SINOPSE Este trabalho técnico visa discutir a apresentar a eficiência obtida com sistemas de proteção catódica utilizando leitos verticais profundos de ânodos quando comparado com sistemas tradicionais ( leitos horizontais superficiais ) em plantas petroquímicas e industriais em geral. O estudo focaliza características e diferenças de projeto e instalação para ambos os sistemas. Em complementação a trabalho anteriormente apresentado estará sendo também apresentada a nova tecnologia de construção de leitos de ânodos em poços verticais profundos através de ânodos em arame com substrato de titânio revestido com camadas de óxidos metálicos na tecnologia MMO - Mixed Metal Oxides. Palavras Chaves: Poço Profundo, Leito de Ânodo Profundo em Fio Contínuo.
1- INTRODUÇÃO Sistemas de proteção catódica por corrente impressa utilizam leitos de ânodos inertes para a distribuição de corrente protetiva contra a corrosão, necessária a uma determinada estrutura metálica. Estes leitos são instalados em relação à estrutura a proteger, de forma a obter o máximo rendimento possível ao sistema. Para a obtenção deste rendimento máximo, é prática comum, dispor estes leitos, sempre que possível, perpendicularmente à estrutura e a uma distância mínima desta. Em se tratando de grandes estruturas, existe a necessidade da instalação de um número de ânodos tal que possa ser garantido o fornecimento de corrente protetiva sem comprometer a vida útil do sistema, normalmente projetado para 20 anos. A vida útil do leito é diretamente proporcional a vida útil do ânodo, que por sua vez é diretamente proporcional ao seu desgaste médio, que é função da corrente de trabalho deste ( densidade de corrente ). Por outro lado a instalação tradicional destes leitos é feita com os ânodos dispostos a uma profundidade média de 3 metros, ou seja, a uma profundidade onde normalmente a resistividade elétrica do solo apresenta seus valores mais elevados. Estes dois fatores, taxa de desgaste do ânodo ( fornecido pela sua corrente individual ) e o alto valor da resistividade elétrica do solo na faixa de assentamento, são fundamentais para determinar-se a quantidade de ânodos a ser utilizado no leito e o distanciamento entre estes. Para se obter o máximo rendimento do leito, ou seja, uma corrente protetiva fornecida por cada ânodo que se encontre dentro do previsto para a vida útil do sistema e um número suficiente de ânodos que nos forneça a menor resistência ohmica possível para o circuito, geralmente leva a leitos de até 30 ânodos distanciados entre si de aproximadamente 6 metros. Se ainda for considerado um distanciamento médio de 70 metros entre a estrutura a proteger e o primeiro ânodo do leito, obtêm-se um comprimento total do leito ao redor de 250 metros. O valor médio indicado acima para o comprimento total do leito de ânodos pode variar em função, principalmente, da área da estrutura a proteger e da resistividade elétrica do solo na região onde este sistema de proteção catódica será implantado. 2- CONSIDERAÇÕES SOBRE LOCALIZAÇÃO DO LEITO DE ÂNODOS EM UMA PLANTA PETROQUÍMICA Em uma planta petroquímica há grande dificuldade no posicionamento adequado de um leito de ânodos com máximo rendimento devido às limitações geográficas da área industrial. Dificuldade que se deve a extensão deste leito, que não pode extrapolar as limitações geográficas da planta, obrigando o posicionamento no seu interior. Estas plantas normalmente estão saturadas de tubulações, na maioria enterradas, utilizadas para diversos tipos de processos. Estas tubulações, como no caso das redes de incêndio, são dispostas normalmente em quadriláteros mais ou menos simétricos que acompanham os arruamentos internos destas plantas. Como o leito de ânodos deverá sempre estar paralelo a qualquer um dos braços destes quadriláteros, isto reduz drasticamente sua eficiência, com conseqüente queda no poder de injeção da corrente protetiva destinada à estrutura, ocasionando uma grande dificuldade na sua polarização. Aliado a este fato, por si só muito determinante, há a necessidade, para um leito convencional, da abertura de uma
vala com um comprimento médio de 250 metros, em uma área congestionada em tubulações enterradas e normalmente considerada como qualificada, limitando assim o uso de determinadas ferramentas. ( Figura 1 ) 3- CONSIDERAÇÕES SOBRE UM LEITO DE ÂNODOS EM POÇO VERTICAL PROFUNDO Para um leito de ânodos em poço vertical profundo a implantação dos ânodos é efetuada em um poço previamente perfurado, com diâmetro variando de 15 a 20 centímetros e profundidade determinada de acordo com as necessidades da corrente protetiva necessária ao sistema. A técnica para implantação destes ânodos, neste poço, pode ser feita através de agora três alternativas tecnicamente viáveis: instalação efetuada com ânodos utilizados em leitos convencionais onde cada ânodo possui o seu cabo que deverá ser conectado ao retificador ou ânodos especialmente desenvolvidos, dispostos e intercalados em um único cabo conectado ao retificador. A segunda alternativa tem maiores facilidades na implantação uma vez que somente um cabo permanece no interior do poço, facilitando a colocação da tubulação necessária à ventilação dos gases desprendidos na reação catódica ocorrida no leito e também na colocação e compactação da moinha de coque ou de petróleo calcinado utilizada como auxiliar no tratamento do solo. ( Figura 2 ) A terceira alternativa com utilização recente seria o emprego de ânodos em fios de titânio revestidos com uma camada em óxidos metálicos pela tecnologia denominada MMO - Metal Mixed Oxides. Nesta alternativa são utilizados dois cabos conectados a estes ânodos, de tal forma que os cabos estão conectados a ambas extremidades do ânodo, permitindo assim o fluxo normal da corrente protetiva mesmo com um rompimento do ânodo propriamente dito. O número de ânodos seria determinado basicamente pela quantidade de corrente a fornecer para a estrutura a proteger, empregando um ou diverso ânodos conectados na configuração em paralelo. Através desta técnica de colocação dos cabos em ambas extremidades dos ânodos a garantia de funcionamento deste tipo de leito é muito superior ao anteriormente apresentado com um cabo simples. ( Figura 3 ) As principais vantagens de um leito de ânodos em poço vertical profundo em relação à um leito de ânodos convencional são a ausência de necessidade de manutenção nas conexões dos ânodos ao cabo mestre, a diminuição da resistividade elétrica do solo a medida que o poço se aprofunda, aumentando assim o fluxo de corrente, a ausência da necessidade de abertura de valas muito extensas e a melhor distribuição de corrente protetiva com maior área de abrangência. Outra facilidade na implantação de um leito de ânodos em poço vertical profundo através da segunda alternativa acima exposta é que o cabo único ( mestre ) do leito, pode ser previamente montado no fabricante de acordo com as características de projeto: ânodos intercalados no cabo de maneira precisa a atender as necessidades de distribuição de corrente, fato nem sempre obtido através da inserção dos ânodos de maneira individual do poço. Outra vantagem do leito de ânodos em poço vertical profundo em relação aos leitos convencionais devido as suas
características construtivas, é que este leito sempre será montado perpendicularmente as estruturas a serem protegidas. Estes fatores reunidos permitem uma alta eficiência neste tipo de implantação, dispensando a abertura de valas extensas, além das interferências elétricas que afetam a polarização catódica da estrutura no interior da planta passarem a ser pontuais. É importante lembrar que este tipo de técnica somente poderá ser utilizado onde a resistividade elétrica do solo sofre um decréscimo à medida que a profundidade aumenta. 4- ESTUDOS COMPARATIVOS ENTRE OS DOIS SISTEMAS - UM CASO PRÁTICO O caso prático descrito a seguir e que foi utilizado como referencial para as conclusões aqui obtidas se refere à proteção de uma rede de incêndio em planta petroquímica no Município de São José dos Campos / SP, com um total de 6.730 metros de extensão com diversos diâmetros variando entre 150, 200 e 250 milímetros ( Figura 4 ). Para a proteção destas tubulações eram empregados três retificadores distribuídos ao longo do perímetro da planta. Esta implantação foi efetuada em 1981, quando a única tecnologia disponível no País ainda eram os leitos tradicionais de ânodos. Estes três retificadores efetuaram a proteção destas tubulações durante 15 a 16 anos e somente após o colapso do leito de ânodos interligado ao Retificador 01 em 1997 é que o sistema de proteção catódica deixou de atender as especificações de projeto. Através da realização de novo projeto para o sistema obteve-se um valor de corrente de proteção de 7 Amperes como o necessário e suficiente para todo o sistema. Em levantamento de campo efetuado junto aos dois retificadores ainda operantes verificou-se uma injeção de 7 Amperes para o Retificador 02 e de 16 Amperes para o Retificador 03, o que eqüivale a uma corrente protetiva 228% superior a nominal prevista para o novo projeto, sem considerar o terceiro retificador inoperante. Em virtude do tempo decorrido desde sua implantação, o colapso dos leitos remanescentes pôde ser considerado como iminente, optando-se pela implantação de um leito vertical profundo em substituição ao leito danificado do Retificador 01, vislumbrando a proteção total das tubulações a partir de um único leito. O novo leito de ânodos foi projetado para uma profundidade de 50 metros, possuindo 6 ânodos com 500 milímetros de comprimento a base de titânio revestido com óxidos metálicos, montados em um cabo com 16mm² de seção circular e espaçados entre si de 5 metros. Após a implantação deste leito foram efetuados novos levantamentos de campo, com os Retificadores 02 e 03 previamente desativados, obtendo-se a total proteção das tubulações da planta com uma injeção de corrente da ordem de somente 8,5 Amperes.
5- CONCLUSÕES Baseado no exposto pode-se concluir que um leito de ânodos em poço vertical profundo é viável tecnicamente e economicamente, se considerarmos as ponderações abaixo enumeradas: 5.1- Interferências As interferências provocadas pelo acúmulo e proximidade de tubulações enterradas no interior de uma planta petroquímica, ou mesmos em áreas urbanas, podem ser minimizadas passando a ser pontuais com a utilização de um leito em poço vertical profundo, dispensando as extensas valas necessárias nas implantações com leitos convencionais. 5.2- Resistividade Elétrica Uma vez que a resistividade elétrica do solo decresce a medida que o leito aprofunda, a resistência ohmica final deste leito será consideravelmente menor quando comparada a um leito convencional no mesmo local da instalação, resultando em um retificador com menor potência e portanto um menor custo. 5.3- Área de Atuação Devido a facilidade na polarização da estrutura a proteger através de um leito em poço vertical profundo, comprovada nas medições de campo do caso prático aqui considerado e também pelo fato que este estará sempre perpendicular aquela estrutura, o campo de atuação deste tipo de leito será em muito superior à um leito convencional. Isto poderá eventualmente reverter em um número menor de leitos se a estrutura a proteger for muito longa ou extensa, como por exemplo em uma tubulação retilínea, com uma conseqüente queda no custo final do sistema de proteção. 5.4- Necessidade de Manutenção Em um leito em poço vertical profundo onde utiliza-se os ânodos intercalados e montados em um único cabo, elimina-se a necessidade das manutenções nas emendas entre os ânodos e o cabo mestre nos leitos convencionais, levando a uma queda dos custos de manutenção após a implantação.
Retificador Cabo Negativo Ânodos Fluxo de Corrente Leito de Ânodos Tubulações Nota: Quanto mais próximo o leito de ânodos estiver das tubulações maior será a dificuldade em polarizar-se as tubulações e menor sua eficiência. Figura 1 = Fluxo de Corrente em Leito de Ânodos Paralelo
Nível do Solo Ânodo Fluxo de Corrente Retificador Planta Industrial Cabo Negativo Tubulação Cabo Positivo Figura 2 - Fluxo de Corrente em um Leito Vertical Profundo
Ânodo Fluxo de Corrente Nível do Solo Retificador Planta Industrial Cabo Negativo Tubulação Cabo Positivo Figura 3 - Configuração de um Leito de ânodos em Poço Profundo com ânodos em Fio de Titânio
Retificador 2 Área Catódicamente Protegida Retificador 3 Retificador 1 Área NÃO Catódicamente Protegida Figura 4 - Fluxograma esquemático das áreas de proteção na rede de incêndio