II CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional Venezolano Noviembre 2009 C3-178 ESTACIONES AEROQUÍMICAS Y METEOROLÓGICAS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MAPAS DE CORROSIVIDAD ATMOSFÉRICA EN EL SISTEMA DE POTENCIA DE EDELCA L.Linares* O. Bermudez* N. Taborda** * Centro de Investigaciones Aplicadas de EDELCA ** División de Mantenimiento de Transmisión de EDELCA RESUMEN La corrosión atmosférica es la degradación de los metales expuestos a la acción de la atmósfera y es culpable, por sí sola, de más del 50% de las pérdidas totales atribuibles a la corrosión metálica. Igualmente, es una de las causas principales de los problemas que se presentan en la industria eléctrica, las cuales trae consecuente pérdidas de funcionalidad, degradación de los materiales y pérdidas económicas. EDELCA como la empresa de generación hidroeléctrica más importante que posee Venezuela, no se escapa de la problemática de corrosión en los equipos y componentes de sus líneas y subestaciones encargadas de la transmisión de la energía eléctrica, a todo el territorio Nacional. Es por ello, que el objetivo principal de este trabajo es la instalación de estaciones de monitoreo aeroquímico y meteorológico y de velocidad de corrosión que permitan clasificar y construir los mapas de corrosividad atmosférica de los materiales, en el sistema de potencia de EDELCA. La metodología abarca la instalación de captadores aeroquímicos para la medición de la salinidad y sulfatación de la atmósfera (Cl y SO 2 ), así como también la instalación de equipos de medición de variables meteorológicas (Humedad Relativa, Velocidad del Viento, Precipitación, entre otros), instalación de bancos de pruebas de placas de diferentes materiales metálicos y sistemas de recubrimientos y/o bancos de pruebas de alambre-tornillo, bajo la aplicación de las normas ISO 9223-9226. Los resultados obtenidos han permitido determinar el grado de agresividad atmosférica en líneas y subestaciones del sistema de potencia de EDELCA, medir velocidad de corrosión de diferentes materiales metálicos, construir mapas de potencialidad corrosiva de una región, analizar el comportamientos de diferentes esquemas de recubrimientos, seleccionar el tipo de limpieza de superficies de áreas metálicas a recubrir y finalmente han sido una importante herramienta para la selección de materiales. En la actualidad, los resultados obtenidos se han registrado en una base de datos, con el fin de construir los mapas de corrosividad del sistema de transmisión de Edelca, bajo la aplicación de métodos estadistico, que permitan delimitar los microclimas de cada región o zona y las posibles acciones para el control de la corrosión. PALABRAS CLAVES: Corrosión Atmosférica, estaciones aeroquímicas, mapas de corrosión, materiales metálicos. lilinares@edelca.com.ve
1. INTRODUCCIÓN La corrosión atmosférica se establece como un proceso electroquímico, en el cual la naturaleza del electrolito y su composición juegan un papel preponderante. Dicho electrolito está constituido por una fina capa de humedad que se forma sobre la superficie del metal. Como parte del electrolito, aparecen los contaminantes atmosféricos (SO 2, NaCl, NO x, etc) que puede solubilizarse en la capa de humedad, y participar activamente en el proceso de corrosión. EDELCA como filial de la Corporación Eléctrica Nacional, adscrita al Ministerio del Poder Popular para la Energía y Petróleo, es la empresa de generación hidroeléctrica más importante que posee Venezuela, capaz de transportar grandes bloques de energía y en niveles de voltaje muy elevados, a través de una extensa red de subestaciones y líneas de transmisión que superan los 5.700 Km, a lo largo de todo el territorio nacional (Fig. 1). Fig. 1. Sistema de Transmisión Troncal de Edelca Las subestaciones y líneas del sistema de transmisión troncal de Edelca se encuentran ubicadas en zonas con diferentes tipos de microclimas (Fig. 2,3 y 4) que pueden influir en los procesos de corrosión de las estructuras y componentes metálicos y por ende en la durabilidad de sus materiales. Fig.2. Zona Marina Fig. 3. Zona Industrial Fig. 4. Zona Rural Es por ello, que el objetivo principal de este trabajo es la instalación de estaciones de monitoreo aeroquímico y meteorológico y de velocidad de corrosión que permitan clasificar y construir los mapas de corrosividad atmosférica de los materiales, en el sistema de potencia de EDELCA, esencial para el desarrollo y especificación de materiales óptimos resistentes a la corrosión. 2
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL La metodología utilizada para la construcción de los mapas de corrosividad del sistema de potencia de Edelca, esta basada en los métodos normalizados por la Internacional Standard Organization (ISO) 9223-9226. Una de estas categoría es la corrosividad definida por el efecto o velocidad de la corrosión sobre muestras metálicas estándar como se especifica en la Norma ISO 9226, y la otra es la categoría de corrosividad calculada en términos de los factores atmosféricos más significativos que están influyendo en la corrosión del metal y aleaciones, y los niveles de humectación (norma ISO 9223-9225). Para determinar la influencia de los factores ambientales sobre los metales se colocan estaciones de monitoreo aeroquímicos y meteorólogicos en la zona a evaluar, las cuales se especifican a continuación: 2.1. Estaciones Aeroquímicas Son estaciones que permiten evaluar el grado de contaminación del ambiente por contenido de dióxido de azufre, cloruros y polvo atmosféricos sedimentable del ambiente que rodea las subestaciones y líneas. El método estandarizado para determinar el grado de contaminación por compuestos de azufre (SO 2 ) es el método de la vela de plomo y la concentración de sulfatos se obtiene por el método ASTM D-516 (Fig. 5). El grado de contaminación salina (Cl - ) se determina por el método de la vela húmeda y la concentración de cloruro se obtiene por el método ASTM D-512-67 (Fig. 6). La velocidad de deposición del polvo atmosférico sedimentables se determina por el método colector de polvo y la cantidad de polvo atmosférico presente se determina por la norma ASTM D 1739 (Fig. 7). Fig. 5. Captador de Sulfatos Fig. 6. Captador de Cloruros Fig. 7. Captador de Polvo Atmosférico Sedimentable 2.3. Estaciones meteorológicas o climatológicas Son estaciones que permiten medir los parámetros que pueden condicionar los procesos de corrosión como lo son la humedad relativa, velocidad y dirección del viento, radiación solar, temperatura, y la lluvia. Estos datos son obtenidos de estaciones climatológicas cercanas a las zonas evaluadas pertenecientes al Ministerio del Ambiente y de los Recursos Naturales, Fuerza Aérea, Institutos de Investigaciones Agrícolas o propias de Edelca.(Fig. 8). 2.4. Clasificación de la Corrosividad Atmosférica Unas vez determinado la velocidad de deposición de los iones sulfatos, cloruros y el tiempo de humectación se clasifica la atmósfera en función del grado de corrosividad, tal como se muestra en la Tabla I y II, de la Norma ISO 9223. El tiempo de Humectación esta definido como el número de horas donde la H R 80 %, y la temperatura mayor de 0 ºC en un año, según la norma ISO 9223. 3
Fig. 8. Estaciones Meteorológicas Tabla I. Categorías de Corrosividad Atmosférica para cada Material Tabla II. Corrosividad Atmosférica CATEGORÍA C1 C2 C3 C4 C5 CORROSIVIDAD Muy baja Baja Media Alta Muy Alta 2.5 Determinación de la velocidad de corrosión La evaluación de la velocidad de corrosión de una probetas o muestras de materiales metálicos es calculada mediante la técnica de la pérdida de peso por unidad de área de una muestra estándar, la cual es decapada para eliminar los productos de corrosión después de expuesto por un periodo de un año. En el sistema de potencia de Edelca se han aplicado dos métodos: las placas rectangulares y las probetas de alambres sobre tornillos. 4
2.5.1. Bancos de pruebas de placas metálicas y de sistemas de recubrimientos Es una técnica tradicionalmente empleada para la evaluación de la corrosividad general de la atmósfera y consiste en la evaluación de probetas rectangulares, preferiblemente de 100 x 150 mm con un espesor de 1 mm a 3 mm aproximadamente, preparados según lo especificado por la norma ISO 8565. Normalmente se exponen los materiales de interés por lo menos un año, o cuando se trata de caracterizar la corrosividad de una atmósfera se emplean metales representativos de los materiales básicos de ingeniería: acero de bajo carbono, aluminio, cobre y cinc de alta pureza (99,5%) (Fig. 9). La velocidad de corrosión para cada metal viene expresada en gramos por metro cuadrado año (g/(m 2.a)), y proviene de la ecuación (1): r corr = ( m / A.t) ecuación (1), Donde: m: pérdida de masa en g, A: área de la superficie en m 2, t: tiempo de exposición en años. Los resultados obtenidos, permiten caracterizar la corrosividad de cada material en función de la velocidad de corrosión, para un período de un año de acuerdo a la norma ISO 9223. Fig. 9. Bancos de pruebas de placas metálicas desnudas y recubiertas Adicionalmente a la evaluación del material desnudo para la velocidad de corrosión, en los mismos bancos se colocan placas recubiertas con pinturas comerciales y con diferentes tipos de limpiezas de superficie a fin de establecer el comportamiento y grado de deterioro de cada uno de las pinturas evaluadas de acuerdo a la norma ISO 4628 (Fig. 9). 2.5.2. Bancos de pruebas de alambres sobre tornillos Está técnica está basada en la evaluación de la pérdida de masa que experimenta un alambre metálico enrollado en la rosca de un tornillo que suele tener un comportamiento catódico respecto al alambre (ánodo). Fig. 10. Banco de Alambre sobre Tornillo 5
El alambre debe poseer un (1) m de longitud, y debe ser enrollado en tornillos de acero, cinc cobre o en espiral sobre una barra de plástico. Los tornillos tendrán una longitud de 10 cm, con un diámetro de ½ y debe poseer 13 hilos por pulgada. Antes del montaje, los tornillos son limpiados de acuerdo a la norma ISO 9226 y 8407 (Fig. 10). La velocidad de corrosión es calculada en (μm/año) y viene expresada por la ecuación (2): r corr = 0,25. ( m.d/ m.t) ecuación (2) Donde: m: pérdida de masa en mg, d: diámetro del alambre en mm, m: peso original en gramos y t: tiempo de exposición en años. Los resultados obtenidos, permiten caracterizar la corrosividad de cada material en función de la velocidad de corrosión, para un período de un año de acuerdo a la norma ISO 9223. 2.6. Mapas de Riesgos de Potencialidad Corrosiva Para conocer el alcance de la corrosividad de un lugar del que no se dispone de dato alguno de corrosión, por no haber estado incluido ese lugar en estudios previos de corrosión atmosférica, se utiliza las herramientas de la construcción de mapas de riesgo potencial de la corrosión atmosférica a través de mapas de Isolíneas para cada una de las variables meteorológicas pertenecientes a una localidad, región o un país. Para la construcción de estos mapas de isolíneas se utilizan un software conocido como Surfer 8 que utilizan programas para la generación de curvas de nivel por medio de métodos estadísticos y algoritmos de cálculos que permiten representar la tendencia de cada variable y extrapolar su magnitud para áreas de las que no se dispone de datos. Fig. 11. Curvas de nivel para la construcción de mapas de isolíneas 3. RESULTADOS A continuación, se presenta brevemente algunos resultados obtenidos de las evaluaciones realizadas en algunas subestaciones y líneas pertenecientes al sistema de potencia de Edelca. 6
Velocidad de Corrosión en g/m 2.a Velocidad de Corrosión del Aluminio (g/m2a) 3.1. Clasificación de la corrosividad de la atmósfera. Desde el año 2004 al 2008, se han aplicado todos los métodos expuestos anteriormente. Los resultados obtenidos hasta la fecha se muestran en la Tabla III, donde se presentan la categorización de la corrosividad atmosférica de varias subestaciones y líneas del sistema de potencia de Edelca. TABLA III. Clasificación de la Corrosividad Atmosférica en el Sistema de Potencia de Edelca ESTACIONES PROMEDIO TOTAL SO 2 (mg/m 2.d) PROMEDIO TOTAL Cl (mg/m 2.d) TH CORROSIVIDAD CATEGORÍAS Línea Tablazo-Cuatricentenario (Cruce del Lago) 16,586 188,657 5500 C4 Alta Línea Tablazo-Cuatricentenario (Tramo Terrestre) 23,733 64,135 4670 C4 Alta Subestación Cuatricentenario 10,430 36,503 4418 C3 Media Subestación Yaracuy 3,63 21,00 3283 C3 Media Subestación Arenosa 1,86 41,91 4610 C3 Media Subestación Jose 11,07 25,47 5830 C4 Alta Subestación El Tigre 2,867 15,098 2558 C3 Media Línea El Tigre-San Gerónimo 2,243 25,346 2558 C3 Media Tal como se puede observar en la Tabla III, el grado de corrosividad de los materiales presentes en estas líneas y subestaciones en función de los parámetros medioambientales, es de media a alta, siendo más agresiva (C4 alta ) para las estaciones ubicadas a cercanías de las costas marinas y de complejos industriales, petroquímicos y petroleros. 3.2. Velocidad de Corrosión en el Sistema de Potencia de Edelca Entre los años 2006-2008, se evaluó la velocidad de corrosión del acero al carbono, acero galvanizado, aluminio, cobre, acero inoxidable en las líneas Tablazo-Cuatricentenario 1 y 2 a 400 kv para ambos tramos, en las líneas El Tigre-San Gerónimo 1 y 2 a 400kV y en la Subestación Jose a 400 KV, bajo la aplicación de bancos de pruebas de placas metálicas y de alambres-tornillos. Los resultados se muestran 4 en las Figuras 12 y 13, obteniéndose una menor velocidad de corrosión para el acero galvanizado y aluminio en la Subestación Jose, con un excelente comportamiento al ser recubierto con un sistema epóxico con poliuretano. 6,0 600 5,0 500 400 300 200 100 0 Acero al Carbono Material Acero Galvanizado Acero Inoxidable Aluminio Cobre Fig. 12. Velocidad de Corrosión en S/E Jose 4 7 12 Mes 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 Tiempo (Meses) T-81 S/E EL TIGRE Fig. 13. V. de Corrosión Al/Zn. El Tigre-SG 7
Latitud Por otra parte, en el caso de la línea Tigre-San Gerónimo se obtuvo que la utilización de cables de aluminio con alma de acero galvanizado en zonas con cloruros, es lo más recomendable. 3.3. Mapas de Riesgos del Estado Anzoátegui En la Figura 14, se presenta el mapa de Venezuela y del Estado Anzoátegui de isolíneas de humedad relativa correspondiente a los datos históricos 2000-2004 y 2006 respectivamente, obtenido del programa Surfer 8, mencionado en el punto 2.6. Los resultados indican que el Norte del Estado Anzoátegui presenta humedades relativas superiores con valores superiores al 76%, debido a la influencia de las líneas de humedad relativa que provienen de Cumana, y de su proximidad a las costas de Venezuela. Por lo que, la potencialidad corrosiva del Estado Anzoátegui se encuentra en esta zona, correspondiendo esta al área donde se encuentra las líneas de transmisión de EDELCA, San Gerónimo-Jose, Jose-Barbacoa y Jose- Santa Teresa a 400 kv, ya que los valores altos de humedad relativa pueden activar la corrosión del aluminio con la presencia de contaminantes. 12 10 8 6 4 2 36 1 32 9 2 5 6 8 10 3 34 304 7 11 15 7.2 18 13 12 16 14 17 22 33 19 20 21 7.1 35 23 24 31 26 25 28 0-74 -72-70 -68-66 -64-62 -60 Longitud 27 29 1 Coro 2 Maracaibo 3 Barquisimeto 4 Maracay 5 Maiquetía 6 Caracas-La Carlota 7 Barcelona 7.1 El Tigre 7.2 Subestación Jose 8 Cumana 9 Porlamar 10 Guiria 11 Mene Grande 12 Valera 13 Acarigua 14 Guanare 15 San Juan de los Morros 16 Carrizal 17 Valle de la Pascua 18 Maturín 19 El Vigia 20 Merida 21 Barinas 22 Calabozo 23 Ciudad Bolívar 24 San Antonio del Táchira 25 Guasdualito 26 San Fernando de Apure 27 Tumeremo 28 Puerto Ayacucho 29 Santa Elena de Uairen 30 Valencia 31 Santo Domingo 32 La Cañada 33 Temblador 34 Palmichal 35 Colon 36 Aruba Fig. 14. Mapa de Venezuela y el Estado Anzoátegui con Isolíneas de Humedad Relativa %. Periodo (2000-2006) Todos estos resultados obtenidos se han registrado en una base de datos, con el fin de construir los mapas de corrosividad del sistema de transmisión de Edelca, bajo la aplicación de métodos estadistico, que permitan delimitar los microclimas de cada región o zona y las posibles acciones necesarias para el control de la corrosión. Por otra parte, es importante mencionar que la evaluación de la corrosividad atmosférica ha permitido obtener otros resultados tales como: Análisis de Falla por Corrosión del Conductor de Potencia de las líneas Tablazo-Cuatricentenario 1 y 2 a 400 kv, Evaluación de las estructuras metálicas y de concreto de las Torres del cruce del Lago de Maracaibo, Elaboración de Especificaciones Técnicas para la Rehabilitación de las Torres del Cruce del Lago de Maracaibo, Elaboración de Especificaciones técnicas para el Repintado de Postes de 34,5 kv de la Subestación Jose, 8
Elaboración de Especificaciones técnicas para el Repintado de los Autotransformadores de la Subestación La Arenosa. Elaboración de Especificaciones técnicas de materiales para la adquisición de alumbrados y cercas perimetrales en la Subestación Jose. 4. CONCLUSIONES Las estaciones aeroquímicas y meteorológicas son una herramienta importante para: 1. Evaluación de parámetros meteoroquímicos y meteorológicos. 2. Clasificación de la Corrosividad atmosférica. 3. Evaluación de la velocidad de corrosión de los materiales. 4. Evaluación de la Potencialidad Corrosiva de la Atmósfera. 5. Análisis de Fallas por Corrosión de diferentes materiales metálicos. 6. Evaluación del comportamiento físico y electroquímico de diferentes esquemas de Recubrimiento colocados en componentes metálicos. 7. Selección del Tipo de Limpieza de Superficies de áreas metálicas a recubrir o pintar. 8. Selección de Materiales. 9. Estimación de vida útil de los materiales 6. BIBLIOGRAFÍA [1] www.edelca.com.ve. Año 2007 [2] ASTM D 516-90, Standard Test Method for Sulphate Ion in Water, Reapproved 1995, Annual Book of ASTM Standard, vol 11.01, 03.05, 03.06, USA 1992 [3] ISO 9225, Guiding values for true corrosivity categories of atmospheres. [4] ASTM G 116-99. Standard Practice for Conducting Wire-on-Bolt Test for Atmospheric Galvanic Corrosion [5] ASTM D 1739, Determinación del polvo atmosférico. Año 1992. [6] ISO 9223, Corrosion of metals and alloys, classification of corrosivity of atmosphere. [7] ISO 9226, Corrosion of metals and alloys, Corrosivity of the atmospheres-determination of corrosion rate of standard specimens for the evaluation of corrosivity [8] ISO 8407, Corrosion of metals and alloys- Removal of corrosion products from corrosion test specimens [9] Linares L. Evaluación de la corrosividad atmosférica y su efecto en los cables de transmisión eléctrica a 400 kv de CVG EDELCA. Universidad del Zulia, Facultad de Ingeniería. División de Post-grado, Maracaibo-Edo. Zulia, Julio 2007 [10] Andrade Da Silva, J. Productos electro-electrónicos em ambientes tropicales. CYTED. [11] Bastidas María, Evaluación de diferentes aleaciones metálicas y sistemas de recubrimientos poliméricos en un ambiente marino-tropical. Universidad del Zulia, Facultad de Ingeniería. División de Post-grado, Maracaibo-Edo. Zulia, Noviembre 2008. [12] Feliú S y Morcillo M, Corrosión y protección de metales en la atmósfera. Centro Nacional de Investigaciones Matalùrgicas. Madrid, 1982. Junio 2006 [13] Centro de Estudios de Corrosión. Evaluación de las estructuras metálicas y de concreto de las torres de las líneas Tablazo-Cuatricentenario a 400 kv, tramo cruce del Lago de Maracaibo, desde el punto de vista de corrosión y contaminación. Universidad del Zulia, Facultad de Ingeniería. Marzo 2004. 9