GERENCIA GENERAL DE TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE GAS

GERENCIA DE MANTENIMIENTO DE METANO

SUPERINTENDENCIA DE INTEGRIDAD MECÁNICA

Documento
Técnico

DISEÑO DE LECHO DE ANODOS

(SPC) KM 47
GDTO 16” Y 20” SISTEMA DE TRANSPORTE ULE-AMUAY

REQUERIDO POR:
REGIÓN -OCCIDENTE
AREA OPERACIONAL COSTA ESTE

ELABORADO POR:
OSCAR GARCIA

REVISADO POR:
ANDRES ACOSTA

Septiembre de 2015
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SUPERINTENDENCIA DE INTEGRIDAD MECÁNICA

INDICE

1) OBJETIVO .......................................................................................... 2
2) DATA TÉCNICA DEL SISTEMA ........................................................ 2
3) SITUACIÓN ACTUAL: ....................................................................... 2
4) DISEÑO SPC Km 47: ......................................................................... 3
5) CONCLUSIONES: .............................................................................. 9
6) RECOMENDACIONES:...................................................................... 9
ANEXOS.................................................................................................. 10

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1) OBJETIVO
Presentar el Diseño del nuevo Lecho de Ánodos para el Sistema de Protección Catódica (SPC)
km47, perteneciente al Área Operacional Costa Este de los Gasoducto 16” y 20”, con la finalidad
de lograr la correcta polarización de los sistemas involucrados y mitigar los procesos corrosivos
externos y de esta manera asegurar la integridad mecánica de las tuberías.

2) DATA TÉCNICA DEL SISTEMA

En las Tabla No.1 y 2, se muestran las características técnicas del rectificador de protección
catódica y la data técnica de las tuberías involucradas en el análisis
TABLA N°.1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS RECTIFICADOR
SALIDA CARACTERISTICA CAJA
NOMBRE MARCA MODELO SERIAL NOMINAL ELECTRICAS POSITIVA

Idc VDC VAC ENFRIADO NO. ANODOS

KM47 ORION RCPA-100-100-1 DPC0142062-48 100 100 115/230 Aire 24 GRUPO

TABLA N°.2. CARACTERISTICA DE LA TUBERIA (TRAMO KM 0-KM 106)

PRESION
DIMENSIONES MATERIAL
OPER.
TUBERIAS LONGITUD PS1 Pd2 MPOA3
∅ (KM) ESP. TIPO REVEST. MIN NOR MAX
(PULG) (PULG)
TOTAL SUP ENT

0,438
GSDTO 16 105,2 46,41 55,79 API5LX52 BREA EPOXICA 1969 1800 1400 850 900 1000
0,500
RESINA
GSDTO 20 105,2 ------ 105,2 0,625 API5LX60 1992 1874 1400 750 900 1200
EPOXICA T.

3) SITUACIÓN ACTUAL:
De acuerdo a solicitud realizada por el área Operacional Costa Este perteneciente a la Región
Occidente, se requiere el diseño del nuevo lecho de Ánodos del sistema de protección catódica
(SPC) KM47, a fin de repotenciar el sistema motivado a que presenta alta resistencia del circuito,
además que fue hurtado y con la construcción de esta acción se lograría la correcta polarización
de los tubos asociados a dicho SPC.

1
Puesta en Servicio (año).
2
Presión de Diseño.
3
Máxima Presión de Operación Admisible.
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4) DISEÑO DE LECHO DE ANODO SPC Km. 47:

Siguiendo el procedimiento descrito en la norma PDVSA HA 2014 y Manual NACE de Especialista
de Protección Catódica (Nivel 4), a continuación se muestran los cálculos correspondientes al
nuevo Diseño de lecho de ánodo del Sistema de Protección Catódica Km. 47, considerando una
longitud total a proteger de 24 Km de las Tubería GDTO Ø 16” SUA, Tubería GDTO Ø 20” SUA y 2
Km de los OLEODUCTO Ø 26”, OLEODUCTO Ø 24”.

A) Área a Proteger:

Se realizó el cálculo del área a proteger, con el fin de obtener la corriente total requerida del
sistema. A continuación, se muestra el cálculo de área correspondiente de los sistemas
involucrados:

AREA A PROTEGER (AP)

DONDE:

φ = DIAMETRO DE LA TUBERIA (16”, 20”, 26” y 24”)

Ap = π × φ × L (1)
L = LONGITUD DE LA TUBERIA A PROTEGER (24 Km.
Tubería Gdto 16” SUA, 24 Km. Tubería Gdto 20” SUA, 2
Km. Oleoducto 26”, 2 Km Oleoducto 24”)
CALCULO

SUSTITUYENDO EN (1), TENEMOS : FINALMENTE TENEMOS :

AP = π × ∑φ × L AP = 76.884,58 m
2

TABLA N° 2. RESUMEN CÁLCULO ÁREA A PROTEGER

Nombre Diámetro Longitud (m) Area (m2)

Instalación (Pulg)
GSDTO 20" 20 24.000,00 38.282,88
GSDTO 16" 16 24.000,00 30.626,30
OLEODUCTO 26" 26 2.000,00 4.147,31
OLEODUCTO 24" 24 2.000,00 3.828,29
ÁREA TOTAL = 76.884,78

B) Corriente Requerida:

Para el cálculo de corriente del área a proteger (I Protección), se considero los siguientes parámetros:

• La densidad de corriente (DC) mínima requerida para la protección catódica de

estructuras metálicas revestidas cuyo valor es de 0,2 mA/m2 (según lo establecido en

4
PDVSA HA-201: Criterios para el Diseño de Sistemas de Protección Catódica
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la NACE INTERNACIONAL CP4 Tabla 2,5. Cap. II), y un mínima requerida para la
protección catódica de estructuras metálicas revestidas con brea epoxy cuyo valor es
de 0,75 mA/m2 (según lo establecido en la Norma PDVSA ha-201 Tabla 3. pag. 21).

• Se contempló un 1% adicional del área a proteger, (según lo establecido en la NACE

INTERNACIONAL CP4 ), En base a lo anterior se determinaron los requerimientos
de corriente, tal como se muestra a continuación:
SUPERFICIE DESNUDA (Sd)
DONDE:
S d = Ap × Deterioro. Re v.(% ) (2) DETERIORO DE REVESTIMIENTO (%)= 1
AP (m2) = 76.884,78 m2
CALCULO

SUSTITUYENDO EN (2), TENEMOS : FINALMENTE TENEMOS, QUE LA SUPERFICIE

2 EFECTIVAMENTE DESNUDA ES :
Sd= 76.884,78 m x 0,01 Sd = 768,85 m
2

CORRIENTE DEL AREA A PROTEGER (IP)

DONDE:

Gasoducto de 20” Revestimiento Resina Epoxica

Sd (m2)= 382,82 m2
Ap (m2)= 38.282,88 m2
η = Densidad de Corriente (mA/m2) = 0,2 mA / m2

Gasoducto de 16” Revestimiento Brea Epoxy

Sd (m2)= 306,26 m2
Ap (m2)= 30.626,30 m2

( )
I req = Sd + Ap ×η (3) η = Densidad de Corriente (mA/m2) = 0,75 mA / m2

Oleoducto de 26” Revestimiento Brea Epoxy

Sd (m2)= 41,37 m2
2 2
Ap (m )= 4,147,31 m
η = Densidad de Corriente (mA/m2) = 0,75 mA / m2

Oleoducto de 24” Revestimiento Brea Epoxy

Sd (m2)= 38,28 m2
Ap (m2)= 3.828,29 m2
η = Densidad de Corriente (mA/m2) = 0,75 mA / m2

CALCULO
DE LO ANTERIOR TENEMOS:
SUSTITUYENDO EN (3), TENEMOS
IR = IG20”+IG16”+IO26”+IO24” = 36,97 A

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G 20” I Re q = (382,82 + 38.282,88) × 0,2 Asumiendo un aumento del 30% de la corriente a lo largo de la
G16” I Re q = (306,26 + 30.626,30) × 0,75 vida útil de la tubería, entonces tenemos que la corriente de
protección es de:
Odto26 I Re q = (41,37 + 4.147,31) × 0,75 Ip = 48,07 A

Odto24” I Re q = (38,28 + 3.828,29) × 0,75

TABLA N° 3. RESUMEN CÁLCULO DE CORRIENTE REQUERIDA.

Nombre Area a Proteger (m2) Densidad de Corriente Corriente Requerida (A) Corriente de protección (A)
Instalación (mA/m2)
GSDTO 20" 38.665,71 0,2 7,73 10,05
GSDTO 16" 30.932,57 0,75 23,20 30,16
OLEODUCTO 26" 4.188,79 0,75 3,14 4,08
OLEODUCTO 24" 3.866,57 0,75 2,90 3,77
I REQ 36,97 I PROT 48,07

C) Calculo de Número de Ánodos de Fe-Si-Cr (Hierro-Silicio-Cromo):

Una vez obtenida la corriente requerida por el sistema, se determinó el peso anódico mínimo
requerido, usando ánodos de 60 Lb (27,22 Kg), y considerando una velocidad de consumo de
1Kg/A-año, de acuerdo a lo descrito en la Tabla No. 7 del manual de Diseño HA-201:

A continuación se muestra el cálculo correspondiente:

NUMERO DE ANODOS (NO. ANODOS)

Donde:
Wt (lb)= Peso total de material anódico requerido
Wt = Cr × Ip × L (4) Cr = Velocidad de consumo
Ip (A)= Corriente de protección
L(años)= vida util anodos
CALCULO

FIALMENTE TENEMOS :
SUSTITUYENDO EN (4), TENEMOS :
Wt
DATOS:
Wt = 1 × 48,07 × 20 # anod= = 961,33
IP= 48,07 A Wanodo 27,22
Cr= 1Kg/A-año
L= 20 años Wt = 961,33 Kg
No. Ánodos = 35,31
36 ANODOS Fe Si Cr

1.- Con el fin de disminuir la resistencia de la cama de ánodos y realizar una distribución adecuada del lecho de ánodos,
se contemplará la instalación de 40 Ánodos.
2.- De acuerdo a la disponibilidad de terreno y con el fin de mejorar las condiciones de drenaje de corriente del sistema,
el diseño se encuentra basado en una configuración de lecho de ánodos profundos (12 ms).
3.- Cada agujero de 12 mts, dispondrá de 4 ánodos c/u.
4.- La separación entre agujeros es de 6 mts.
5.- En función a lo indicado, se debe realizar la apertura de 10 agujeros. (40 ánodos)
6.- La disposición de agujeros, se debe configurar a través de la construcción de dos (2) columnas de cinco (5) agujeros
cada columna.
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CARACTERISTICAS DE LOS ANODOS DE Fe Si Cr

Wa=Peso de un ánodo= 60 Libras (27,22 Kg)

Corriente de drenaje Nominal = 3 Amperios

D) Resistencia Total del Sistema:

Una vez obtenida la cantidad de ánodos a utilizar en el sistema y basado en la disponibilidad de

espacio físico para la construcción del lecho de ánodo, a continuación se muestran los cálculos
correspondientes a la resistencia total de sistema (R total), considerando un lecho (convencional) de
2 columnas conformadas por 05 ánodos (Ver Anexo A), el cual se puede obtener a través de la
siguiente formula:
RESISTENCIA TOTAL DEL SISTEMA (Rtotal)

Rtotal = RLecho + Rcables + Rtubo (5)

ρ  8× L 2× L
RLecho = ×  Ln  −1+ × Ln (0,652 × N ) (6)
2×π × L × N  d  S
DONDE:
R Lecho = Resistencia del lecho ánodos vertical (Ω).
ρ= Resistividad de suelos = 753,98 Ω - cm
5
6
d = Radio del ánodo incluyendo la cama de coke = 50 cm.
2
L = Altura del ánodo incluyendo la cama de coke = 1200 cm.
2
S = Separación vertical entre ánodos = 900 cm
N = Número de ánodos = 05 (obtenido en el paso “C”).

SUSTITUYENDO EN (6), TENEMOS:

 8 × 1200  2 × 1200
× Ln (0,652 × 5)
753,98
RLecho = × Ln   −1+
2 × π × 1200 × 5  50  900
FINALMENTE, TENEMOS:
R Lecho = 0,15 Ω

TABLA N° 4. RESUMEN CÁLCULO DE RESISTENCIA LECHO

Resistividad (Ω-Cm) Longitud (cm) Diametro (cm) Separación entre ánodos (cm) Resistencia lecho
(Ω)
753,98 1200 50 900 0,15

Para el cálculo de la resistencia del cableado, se considera un total de 50 m de cable No. 2/0 AWG
(del rectificador a la estructura) con una resistencia de 0,2608x10-3 Ω/m, de acuerdo a lo
5
La medición de resistividad de suelo se realizó utilizando el método de los cuatro electrodos (método de Wenner), según procedimiento
especificado en la norma ASTM G 57.
6
Según lo establecido en la norma PDVSA CPV-H-E-023000
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establecido en la Norma PDVSA HA-201(Tabla 11) y 120 m de cable No. 8 AWG (del ánodo al
rectificador) con resistencia de 2,102x10-3 Ω/m, de acuerdo a lo establecido en la Norma PDVSA
HA-201(Tabla 11). En base a lo anterior, se determinó la resistencia del cableado, tal como se
muestra a continuación:

RESISTENCIA CABLEADO (RCABLES)

Rtotal .cables = Lcable( + ) × Rcable( + ) + Lcable( − ) × Rcable( − ) (7)

Donde:
Rtotal cables (Ω): resistencia total de los cables.
Lcable(+) (m): longitud del cable positivo (cable AWG 8/0= 120 m). Se define cable positivo
como la longitud de cable que se extiende desde el ánodo N°1 (ánodo mas próximo al
transformador/rectificador) hasta el positivo del transformador/rectificador.
Lcable(-) (m): longitud del cable negativo (cable AWG 2/0= 50 m). Se define cable negativo
como la longitud de cable que se extiende desde la estructura protegida hasta el negativo
transformador/rectificador.
-3
Rcable(+)(Ω/m): resistencia del cable positivo (Ω/m)= 2,102x10 Ω/m
-3
Rcable(-)(Ω/m): resistencia del cable negativo (Ω/m)= 0,2608x10 Ω/m
SUSTITUYENDO EN (7), TENEMOS:
Rtotal .cables = 50 × 0,2608 × 10 −3 + 120 × 2,102 × 10 −3

POR LO TANTO, LA RESISTENCIA TOTAL DEL CABLEADO ES:

R CABLE = 0,27 Ω

TABLA N° 5. RESUMEN CÁLCULO DE RESISTENCIA CABLE

Longitud Cable Resistencia Cable No. Longitud Cable No. Resistencia Cable Resistencia Total
No. 2/0; (m) 2/0; (Ω) 8; (m) No. 8; (Ω) Cables. (Ω)
50 0,01304 120 0,25224 0,27

Se realizó el cálculo de la resistencia longitudinal de la tubería, a través de la siguiente ecuación:

RESISTENCIA LONGITUDINAL TUBERÍA (RTUBO)

ρ .L
Rtubo = (8) Por lo tanto, se obtiene la Siguiente Ec:
A
ρ .L
Donde la Superficie Transversal (A) es: Rtubo = (10)
π
π × ( DE 2 − DI 2 )
A= × ( DE 2 − DI 2 ) (9) 4
4
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DONDE:
ρ = Resistividad del acero (Ω-cm) = 13x10-6 Ω-cm
L = Longitud de la tubería (cm)
A = Superficie de la Sección transversal del tubo (cm2)
DE = Diámetro externo de la Tubería (cm)
DI = Diámetro Interno de la Tubería (cm)

Sustituyendo en la Ec. (10) y siguiendo el procedimiento descrito, tenemos que la resistencia

longitudinal de los sistemas involucrados, se muestra en la Tabla N° 6:
TABLA N° 6. RESUMEN CÁLCULO DE RESISTENCIA LONGITUDINAL.

Resistividad Acero Longitud (cm) Diametro Externo (cm) Diametro Interno (cm) Resistencia
(Ω-cm) Longitudinal (Ω)
0,000013 2.400.000,00 45,7 43,16 0,1761
0,000013 2.400.000,00 43,6 41,06 0,1848
0,000013 200.000,00 67,04 64,5 0,0099
0,000013 200.000,00 60,96 59,57 0,0198
RESISTENCIA LONGITUDINAL TOTAL = 0,3906

Finalmente, tenemos que la Resistencia Total del sistema es:

RESISTENCIA TOTAL DEL SISTEMA (RLECHO)
DONDE:
R Lecho = 0,15 Ω.
Rtotal = RLecho + Rcables + Rtubo (11) R Cables = 0,27 Ω.
R Tubo = 0,39 Ω.

SUSTITUYENDO EN (10), TENEMOS:

Rtotal = 0,15 Ω +0,27 Ω +0,39 Ω
FINALMENTE, TENEMOS:
R Total = 0,8 Ω

Como se observa en el cálculo anterior, la resistencia del lecho total resulta 0,8 Ω, cumpliendo
con la Norme PDVSA HA-201 (Rtotal< 1Ω).

E) Separación entre Tubería y Lecho de Ánodos:

Con el fin de establecer la separación entre las tuberías y el primer ánodo del lecho, para
garantizar una buena distribución de corriente y evitar una concentración de gradiente de potencial
anódico sobre la tubería, se determinó la distancia mínima requerida en función de la capacidad
de corriente del lecho de ánodos, de acuerdo a lo descrito en la norma PDVSA HA-201.

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TABLA NO. 7. DISTANCIA MÍNIMA DEL LECHO DE ÁNODOS A LAS TUBERÍAS

CAPACIDAD DE CORRIENTE DISTANCIA MÍNIMA DE LAS
DEL LECHO (A) ESTRUCTURAS ENTERRADAS (m)
30 50
50 – 100 80
100 - 150 150
Debido a que la corriente de protección requerida es igual a 48,07 A, la distancia mínima que debe
existir entre las tuberías y el lecho de ánodos debe ser de 50 m. Sin embargo, en vista que el valor
de corriente se encuentra muy cercano al límite de capacidad de corriente, se recomienda
mantener una separación mínima de 80 m, a partir del primer ánodo del lecho.
5) CONCLUSIONES:
El diseño esta considerando una longitud total a proteger 24 Km. Tanto para Tubería GDTO Ø 16”
SUA comoTubería GDTO Ø 20” SUA, además de 2 Km tanto para OLEODUCTO Ø 26” como
OLEODUCTO Ø 24”, con un consumo total de 48,07 A durante una vida útil de 20 años, con el fin
de asegurar la correcta polarización del las tuberías involucradas, y de esta manera, evitar y
mitigar la formación de procesos corrosivos externos.

6) RECOMENDACIONES:
Se recomienda realizar la construcción del nuevo diseño Lecho de Ánodos SPC Km 47 del
Sistema Ule-Amuay, bajo las especificaciones indicadas en la Tabla No. 6:
TABLA NO. 6. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS NUEVO LECHO DE ANODOS SPC KM 47
ESPECIFICACIONES
ANODOS RECTIFICADOR Y TUBERÍAS
ADICIONALES
– Ubicación: SPC KM 47 – Ubicación: Km. 47
– Cantidad: 10 Ánodos Profundos (10 agujeros de 12 mts – Tipo R/T: ORION ACTUAL
Para mayores detalles ver planos
c/u). Donde Cada agujero esta compuesto por 4 ánodos – Salida DC: 100 Vdc / 100 Adc
de Fe Si Cr. (Total: 40 Ánodos de Fe Si Cr). anexos al informe:

– No. De Columnas: 1 columnas de 10 agujeros

– Suministrar e Instalar 01 Transformador de 15
KVA 13800 / 240-120 Voltios. Para Alimentar
– Separación entre filas de Agujeros: 6 mts Rectificador
– Profundidad: 12 metros – Suministrar e Instalar 02 Cortacorrientes con
– Distancia Mínima entre tuberías y primer ánodo: 80 m. sus dos portafusibles de 13800 KV

– Área de Lecho (Ver Anexos). – Suministrar 02 Pararrayos de Alta para

Proteger el Transformador, con su barra de
– Suministro e instalación de Caja de Positivos con 40 cobre de ¾ de 3 m largo y cable desnudos
Shunt de 0,01 OHM de 10 amp. solidó de cobre AWG 2 para el aterramiento.
– Suministrar 20 metros Acometida 03 hilos
monofasica 240/120 voltios en cable en N°2
TTU
– Suministrar e Instalar 02 celdas de
referencia Sthel 2

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ANEXOS

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Distancia mínima entre Tuberías y 1er

ANEXO A. UBICACIÓN SATELITAL NUEVO LECHO DE ÁNODOS SPC KM 47. SISTEMA ULE-AMUAY

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0,5

1,5

2,5

1,5

0,5

1,5
12

0,5

1,5

0,5

1,5

0,5

0,50 m

ANEXO B. DETALLE DEL ANODO PROFUNDO

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