Paper dique seco 11 dic 2011

EVALUACIÓN DE LOS DAÑOS EN LA CORROSIÓN Y MODELACIÓN NUMÉRICA ASISTIDA DE LA PROTECCIÓN CATÓDICA DEL DIQUE SECO EN LA TERMINAL MARÍTIMA MADERO DE PEMEX REFINACIÓN EN EL GOLFO DE MÉXICO

Adrián Chavira Cornejo PEMEX Refinación Marina Nacional 329 México D.F. 11311 Cecil Knight Heftye PEMEX Refinación Marina Nacional 329 México D.F. 11311 Hernán Rivera Corrosión y Protección Ingeniería, S.C. Rio Nazas 6. Cuernavaca, Morelos.

México. 62290. .

Lorenzo M. Martínez-dela-Escalera Corrosión y Protección Ingeniería, S.C. Rio Nazas 6. Cuernavaca, Morelos.

México. 62290.

Jorge Cantó Corrosión y Protección Ingeniería, S.C. Rio Nazas 6.

Cuernavaca, Morelos. México. 62290.

José A. Padilla Corrosión y Protección Ingeniería, S.C. Rio Nazas 6.

Cuernavaca, Morelos. México. 62290.

Lorenzo Martínez Gómez Corrosión y Protección Ingeniería, S.C. Rio Nazas 6.

Cuernavaca, Morelos. México. 62290.

RESUMEN El presente artículo detalla el trabajo de ingeniería y modelado numérico que se realizó para el diagnóstico completo y restauración del sistema de protección catódica correspondiente al dique más grande de México.

El dique seco está situado en la costa del Golfo de México en la Ciudad de Tampico y es capaz de recibir buques de hasta 250 metros de longitud. Al sur de este Dique Seco se encuentra el centro de reparación de barcos más grande del Atlántico hasta Panamá.

Reportamos en este documento los resultados de un diagnóstico global de los daños a la corrosión en tablestacas de hormigón armado y pilotes, así como los resultados obtenidos de las tomas de potenciales polarizados de mediciones mapeadas en toda la superficie bajo el agua. La protección catódica de los componentes del Dique Seco se ha rediseñado por completo. El diseño propuesto compete una distribución racional de los ánodos de corriente impresionado a lo largo de los pilotes de chapa de acero, y los pilares del duque de alba En el Duque de alba se desarrolló un nuevo diseño enfocado en el apoyo de ánodos y su protección. Uno de las principales características con respecto al soporte del ánodo de apoyo es la libertad de flexión de 90° de tolerancia, por lo que los ánodos de apoyo se podían mover y volver a su posición prevista en caso de colisión.

Palabras clave: Sistema de protección catódica, modelado numérico, dique seco, tablaestaca, concreto reforzado.

INTRODUCCIÓN El Dique Seco de la Terminal Marítima de Madero de PEMEX Refinación, es una obra constructiva de mayor importancia para la industria del transporte de hidrocarburos de México, y desde luego uno de los mejores y más grandes Diques Secos de México y Centroamérica.

El Dique Seco está construido principalmente por Tabla-Estaca de acero, sostenida con tensores y rellena de tierra con una cubierta de concreto y asfalto. Así mismo está conformada por una compuerta, cuya estructura de acero hueca se llena y se vacía de agua. El acero de todos los elementos constitutivos del Dique Seco, está expuesto a la corrosión por su inmersión en el medio marino, y una fracción se encuentra expuesta a la atmósfera durante las temporadas en que éste se encuentra dando servicio a los barcos.

Principalmente existen cuatro distintas estructuras metálicas que se encuentran sometidas a los efectos del medio ambiente, la tablaestaca que soporta al Dique Seco, el muelle de la bahía y el muelle de reparación, la puerta de bloqueo que es considerada como un barco flotante, las pilas de apoyo de los Delfines y las columnas del Dique Seco hechas de hormigón armado.

Se llevaron a cabo diferentes inspecciones con el fin de obtener una evaluación integral de la corrosión de las estructuras de acero. Las condiciones particulares encontradas en cada estructura exigen soluciones complejas para mejorar los actuales sistemas de control de la corrosión. Para las zonas expuestas a la atmósfera la solución se basa en los recubrimientos especiales que deberán aplicarse en superficies irregulares con muchas cavidades que no permiten el uso de pinturas regulares.

Para las estructuras sumergidas y enterradas, la mejor solución es la aplicación de protección catódica; sin embargo, la geometría hace que sea difícil predecir el comportamiento actual y la magnitud de las estructuras metálicas no visibles vuelve necesarias las pruebas sobre el terreno así como la simulación numérica para entonces poder estimar la cantidad de corriente total necesaria.

INSPECCIÓN Y RESULTADOS La Puerta de Bloqueo es una estructura de acero que se divide internamente en cinco cámaras de diferentes capacidades (Figura 1). Las cámaras se llenan y vacían con agua según las necesidades durante la operación de la puerta, pero cuando no operan las cámaras siempre están llenas de agua. La Puerta de Bloqueo está en contacto permanente con el agua del río Pánuco a excepción de la pared de enfrente del Dique Seco que también se expone a la atmósfera cuando el agua contenida en el muelle se vacía. La Puerta de Bloqueo está protegida contra la corrosión por medio

de revestimientos anticorrosivos y por ánodos de sacrificio para los muros exteriores e interiores de la estructura.

38.4m 7.2m 10m

b) Figura 1. a) Modelo tridimensional de la Puerta de Bloqueo. b) Corte transversal.

La Puerta de Bloqueo es un elemento muy importante del Dique Seco. Cuando la puerta está cerrada, el Dique Seco tiene que mantener altas presiones generadas por el agua del río. Un fallo en las compuertas podría causar una inundación no controlada. Así como sucedió en Dubai el 27 de marzo de 2002 (Figura 2), donde la Puerta de Bloqueo falló ocasionando grandes daños materiales y la pérdida de veinte personas que se encontraban realizando trabajos de mantenimiento en cinco barcos.

Figura 2. Falla en la puerta de bloqueo el 27 de marzo de 2002 en Dubái.

Los principales riesgos que amenazan la integridad de compuertas son colisiones de barcos contra ésta y las fallas estructurales que pueden ser causados por el deterioro de los principales componentes estructurales debido a la corrosión. La inspección de las paredes internas y externas de la Puerta de Bloqueo demostró que la capa se encontraba en buen estado general, con excepción de algunas zonas con deterioro de recubrimiento y una corrosión localizada consecuente. La corrosión se observó a lo largo de los bordes

afilados, como las fronteras de alcantarilla y las vigas. También se observó el deterioro de la capa debido a trabajos de mantenimiento.

Se desarrolló un modelo tridimensional de la distribución de potenciales electroquímicos de la Puerta de Bloqueo. El modelo considera las dimensiones físicas de la puerta, las propiedades del agua local, las propiedades electroquímicas del ánodo de sacrificio de zinc. Los resultados mostrados en la Figura 3 indican que hay una gran diferencia entre los potenciales de los ánodos de zinc (zonas azules) y los potenciales en el resto de la estructura. La validación experimental del modelo se realizó midiendo el potencial de la estructura en varios puntos. La comparación entre los potenciales simulados y medidos se presenta en la Figura 4, donde puede ser una buena correlación entre los valores teóricos y experimentales observados.

Figura 3. Distribución del potencial electroquímico de acuerdo al modelo tridimensional de la Puerta de Bloqueo.

Figura 4. Comparación entre los valores de potenciales simulados y los medidos en distintos puntos de la Puerta de Bloqueo.

Los pilotes del muelle están generalmente expuestos a tres medios diferentes: la parte inferior de las tablestacas se sumergidas, la parte media está en un lado expuesto al agua y al otro lado de la tierra, la parte superior se expone al aire. Esta exposición a los diferentes medios puede causar gradientes de potencial que pueden promover los procesos de corrosión en la estructura. La Figura 5 muestra los diferentes ambientes a los que se expone la tablaestaca.

Figura 5. Esquema de representación de la tablaestaca, donde se muestran los distintos medios a los que está expuesta esta superficie.

La tablaestaca de la Terminal Marítima de Madero tiene una hoja de acero dividido en tres zonas: el Dique Bahía, el Dique Seco y el Dique de Reparación de Barcos. En total, las tablestacas tienen una superficie de 30,085 m 2, lo que significa que 60,170 m2 de estructura metálica tienen que ser protegidos contra la corrosión. Sin embargo, sólo el 8% (4,606 m2) de la superficie de tablestacas está protegida por los sistemas de protección catódica. La Figura 6 muestra las tres áreas donde la tablaestaca se encuentra localizada.

Figura 6. Imágenes satelitales del Dique de Reparación de Barcos y el Dique Bahía. La línea amarilla muestra la ubicación de la tablaestaca.

a)

a)

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b) Figura 7. Distribución general de la tablaestaca.

Análisis físico-químico del agua mostró una alta concentración de cloro (16,000 ppm).

Esto ha causado una pérdida de espesor general de más del 25% debido a la corrosión que se presenta en la tablaestaca, la cual está sin protección y en contacto con el suelo.

Se detectaron más de 300 picaduras de corrosión donde algunas ya habían penetrado las hojas de acero (Figura 8). Asimismo, se encontró la presencia de grietas de corrosión en casi todas las articulaciones entre las láminas de acero y las tablaestacas.

Figura 8. Ejemplo de picaduras en una tablaestaca, demostrando la fuga de agua por la picadura.

Tablestacas de protección. Con el fin de detener la corrosión generalizada de la tablaestaca, se propuso un sistema de protección catódica de corriente impresa distribuido de ánodos semi profundos. Las mediciones actuales demandadas se realizaron demostrando que la tablaestaca necesitaba aproximadamente 0.48 amperes por metro linear, lo que significa un total de 614 A. Además se ha realizado un modelo tridimensional de las tablestacas y su medio circundante mediante el método de elementos de contorno. Las simulaciones permitieron determinar la distribución óptima de los ánodos. La Figura 9 muestra en una escala de colores la distribución potencial calculada con el modelo numérico.

a) b) Figura 9. Resultados del modelo tridimensional del a) Dique de Reparación de Barcos, y b) el Dique Bahía.

La tablaestaca es soportada por anclajes y las vigas de acero enterradas detrás de las tablestacas. El área conocida como cofferdam es un corredor con dos secciones paralelas de tablestacas unidas entre sí por vigas de acero (Figura 10). Por medio del modelado de esta estructura, se propone la instalación de ánodos entre las tablestacas con el fin de proteger tanto a las estructuras como a las vigas de anclaje.

Figura 10. Resultados del modelado tridimensional de dos tablestacas paralelas del cofferdam en esa área.

EL DUQUE DE ALBA El duque de alba es una estructura de acero reforzada con concreto soportada por 50 pilas de acero. La medida de las pilas es de 18 metros de largo de los cuales 8 metros se sumergen en agua y el resto son enterrados bajo la tierra del río. Los dos puntos de vista diferentes sobre la distribución de las pilas se muestran en la figura 11.

a) b) a) pilas

Figura 11. a) Modelo 3D del de acero.

b)

Duque de alba. b) Detalle de las

Los pilotes de acero están expuestos a los riesgos de corrosión. La superficie metálica total de las pilas es 1866.1 m2, de los cuales 829.4 m2 se encuentran en contacto con el agua y 1,036.7 m2 están enterrados. La corrosión de las pilas es controlada por un sistema de protección catódica de 12 voltios y 80 amperios. Cuatro ánodos de titanio platinado de 1.5 m de longitud están suspendidos en el Duque de alba. Los ánodos están distribuidos equitativamente entre las pilas. Simulaciones computarizadas del sistema demuestran que la distribución de los ánodos fue la apropiada (Figura 12). El principal problema con el sistema era el ánodo de integridad. Los restos flotantes fueron dañando periódicamente uno o más ánodos. Esto ha provocado que el sistema se encuentre fuera de servicio por largos periodos.

Figura 12. Distribución de potenciales de acuerdo a la simulación en 3D del sistema.

Una solución propuesta fue la de reemplazar soportes para ánodos de fibra de vidrio con barras articuladas y reforzadas de nylon, las cuales pueden doblarse cuando los restos flotantes pasan. El peso del soporte del ánodo permite recuperar la posición vertical.

(Figura 13).

a) b) Figura 13. a) Ánodo dañado. b) Diseño articulado del soporte del ánodo.

CONCLUSIONES Estructuras muy complicadas como un dique seco requieren el uso de modelos numéricos que permitan realizar un diseño del CP adecuado. El diseño tradicional deja las estructuras sin protección tales como las estructuras que yacen bajo el suelo marino y las caras internas de las tablestacas. Accidentes en el pasado han demostrado la importancia de elementos críticos como la puerta resistente al agua, su protección requiere del trabajo conjunto de varios especialistas del ramo de la corrosión. El soporte de los ánodos, el seguimiento y las conexiones requieren diseños especiales que terminan en patentes que cumplen con requisitos únicos de tecnología con respecto a los sistemas de control de la corrosión en el dique seco.

Para las superficies de acero enterradas y sumergidas la protección catódica es la mejor solución para mitigar el deterioro de la corrosión pues la mayor parte de las estructuras de

acero no son accesibles para ser pintadas o reemplazadas. La combinación de ánodos distribuidos en superficies sumergidas y ánodos a distancia para las estructuras de rebabas están destinadas a proporcionar una protección adecuada pero muchos cálculos y pruebas de campo serán necesarios para descartar posibles interferencias en otros sistemas, tales como tuberías debido al aumento en la corriente propuesta en el diseño de CP. El sistema de revestimiento propuesto para las paredes internas del Dique Seco implica tener la capacidad de llenar los vacíos entre cada hoja de acero y una gran resistencia mecánica al sandblast utilizados en el mantenimiento de barcos. La aplicación del recubrimiento debe ser realizado después de la reparación de las picaduras, que consiste en láminas de acero soldado en las zonas donde se detectó bajo espesor.

AGRADECIMIENTOS Este proyecto fue posible gracias al apoyo técnico de Jaime Cervantes, Juan Mario Bautista, Francisco Javier Pérez, Edgar Maya, Maritza Paola López, José Roberto Ramírez y Jorge Alberto García.

REFERENCIAS 1.

Martinez_de la_Escalera, L. M., Canto, J., Rios, A., Carrillo Calvet, H., Albaya, H. C., Ascencio, J. A., Martinez-Gomez L.. Hybrid CP System for an Airport Jet Fuel Pipeline. Materials Performance 48 (8), 40-45, 2009.

2.

Accidente den el Dique Seco de Dubai. Obtenido del sitio web: Us Naval Sea Systmes Command.