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Acoplamientos Dieléctricos. Justificación y uso en Sondeos de Captación de Aguas Subterránea.

  1. GENERALIDADES.
  2. LA CORROSION ELECTROQUIMICA.
  3. CARACTERISTICAS DE LAS UNIONES DIELECTRICAS.
  4. INSTALACION DE LAS UNIONES DIELECTRICAS EN COLUMNAS DE HABILITACION.
  5. CONCLUSIONES.

GENERALIDADES.

En cualquier captación de agua que se construya, se utilizan elementos metálicos de distinta naturaleza, tipo, calidad, composición y resistencia. Estos elementos metálicos están sujetos a la corrosión que se produce por el simple hecho de estar en un ambiente de humedad máxima o sumergidos en agua.

A la hora de proyectar una captación, se deben tener en cuenta una serie de factores para que ésta, tenga la vida útil para la cual se proyecta. Aparte de las consideraciones hidrogeológicas que no las tendremos en cuenta en este post, las cuestiones técnicas y constructivas deben ser seleccionadas de un modo riguroso para el buen funcionamiento durante la vida de la captación.

Aspectos técnicos como el tipo y la calidad de los materiales utilizados son de una gran importancia ya que la corrosión, puede afectar profundamente y acortar la vida útil de forma drástica.

Los aceros en general se oxidan en medio sub-aéreo y acuático. El grado de corrosión dependerá fundamentalmente de la humedad y de la temperatura del medio; en medio subacuático, dependerá de la temperatura del agua y del contenido de sales disueltas en agua, así como del ph de la solución.

Cuando se proyecta la captación se deben conocer las características físico-químicas del agua a captar y seleccionar los materiales que soporten la oxidación y corrosión en esos ambientes, pero una cuestión que a veces no se tiene en cuenta es un efecto que se produce también por el hecho de que existan metales o aceros de distinta composición dentro de la columna de un sondeo. Se trata de la corrosión electroquímica o galvánica. Esta corrosión puede ser destructiva para el pozo en un tiempo mucho más corto que el previsto como vida útil y en multitud de ocasiones no se intenta evitar, utilizándose los productos disponibles en stock. Este proceso es el objeto de este post que sin ser una revisión de la teoría química, tiene el propósito de concienciar y poner en conocimiento las herramientas existentes para evitarlo.

Este efecto corrosivo se suele dar cuando dentro de la columna de un sondeo se han instalado tuberías de acero de distinta composición. Es decir, con buen criterio y para abaratar costes, un proyectista puede decidir instalar una rejilla filtrante de calidad, en acero inoxidable para maximizar la vida de la captación. Como el coste del acero inoxidable es bastante alto, instalarlo donde solo sea necesario o solo en los tramos filtrantes es una opción. El resto de tuberías que forman la columna, pueden ser de acero al carbono, de cualquiera de sus tipos, consiguiéndose así una gran resistencia mecánica a un precio mucho menor.

El problema suele estar en como unimos los tramos de distinta composición, ya que dos metales diferentes y en contacto, suelen producir una corriente eléctrica que circula entre ellos, en el que el metal menos noble se corroe. Esta corrosión es la que se denomina corrosión electro-química.

De esta manera, el proyectista debe tener en cuenta esto, por lo menos en los tramos de tuberías que se instalan de forma definitiva dentro de la captación y que no son extraídos en toda la vida útil del pozo. Estas tuberías forman la columna de habilitación del pozo.

Para la columna de bombeo no hay gran problema debido a que esta si está sujeta a inspección periódica y mantenimiento, por lo que este efecto no se considera en la misma forma.

La unión de las líneas de tuberías de diferente composición metálica debe hacerse con elementos de unión específicos, llamados acoplamientos dieléctricos. Los hay para todos los contextos, desde fontanería, aplicaciones industriales y para columnas de sondeos.

Como su propio nombre indica, es simplemente una unión en la que las dos líneas de tuberías a unir no tienen continuidad eléctrica. Existe un elemento sintético aislante que las separa, manteniendo unas propiedades mecánicas equivalentes al resto de uniones de la tubería. Este elemento aislante evita el flujo eléctrico entre ellas evitando a su vez la corrosión correspondiente.

Se suele instalar un acoplamiento dieléctrico dentro de la columna de un sondeo de forma habitual, diferenciando dos partes en la misma. Una, correspondiente al tramo de acero inoxidable,  formado a su vez por la punta de lápiz o punta cónica, la rejilla filtrante y los tramos ciegos entre rejillas, y la otra, correspondiente al tramo de acero al carbono, formado por la tubería que va hasta superficie. En casos especiales donde el acuífero es multicapa, con gran separación entre rejillas filtrantes, puede justificarse la utilización de varios acoplamientos dieléctricos, separando tramos de aceros inoxidables con aceros al carbono. Esta cuestión es puramente una decisión económica. Coste de acero inoxidable con respecto a acero carbono más unión dieléctrica.

En caso de que una o varias uniones dieléctricas sean proyectadas en la construcción de una captación, hay que tener en cuenta que éstas engrosan en casi una pulgada por cada lado el diámetro exterior del revestimiento en la unión, por lo que el diámetro de perforación debe ser el adecuado para que no existan apoyos en la habilitación y cuellos en el proceso de engravillado, si es el caso.

  1. LA CORROSION ELECTROQUIMICA.

La unión de dos aceros de composición diferente en medio de una solución acuosa forma un par galvánico. Como resultado, se puede producir la corrosión galvánica del material que sea menos noble. Este material podría registrar un nivel de corrosión mucho mayor del que se esperaría sin ningún tipo de contacto con el metal del par más noble. Los daños producidos por la corrosión en las uniones podrían reducir drásticamente la vida útil del sistema, provocando en algunos casos la pérdida completa de la instalación.

En la mayor parte de las aplicaciones, el acero inoxidable tiene el potencial de corrosión más positivo de los metales en contacto, por lo tanto siempre existe un riesgo de corrosión para el otro metal del par.

Para que se produzca corrosión galvánica, o por contacto, deben darse las siguientes situaciones:

  • Diferentes potenciales de corrosión de los metales dentro del sistema.
  • Unión física o contacto entre los metales.
  • Una película de humedad eléctricamente conductora (electrolito) que conecte ambos metales.

Si se produce corrosión galvánica, el material que sea menos noble (ánodo) se vería atacado preferentemente mientras que el material más noble (cátodo), se vería incluso protegido contra la corrosión.

El contacto de dos metales con distinto potencial en una solución eléctricamente conductora da lugar a un flujo de electrones del ánodo al cátodo. Estas reacciones electro-químicas, son las mismas que se producirían de forma natural en el metal aislado, sin embargo el ataque corrosivo en el ánodo se acelera enormemente.

En algunos casos, la formación del par galvánico puede dar lugar a la corrosión en materiales que de otra forma podrían ser estables y resistentes a la corrosión en el entorno en cuestión de forma aislada.

La corrosión galvánica producida en un par galvánico es proporcional a la diferencia de potencial observada dentro de las condiciones de funcionamiento reales.

La siguiente figura incide en las condiciones necesarias para que se produzca corrosión. De esta manera no se producirá corrosión alguna dentro de los siguientes supuestos.

Factores que contribuyen al desarrollo de la corrosión galvánica.

-Resistencia del electrolito. A mayor resistencia (menor conductividad) de la solución conductora menor desarrollo del par galvánico y del proceso corrosivo.

-Tiempo de exposición. Como la presencia de la solución electrolítica es indispensable para que se de el proceso, la presencia de esta condiciona el proceso. A mayor presencia, mayor corrosión.

-Relación del área catódica con respecto al área anódica. A mayor área catódica, mayor es la corrosión en el metal que forma el ánodo.

Las condiciones que se dan en sondeos de captación de agua subterránea son habitualmente las siguientes:

El agua subterránea tiene una proporción de sales variable que va desde unos pocos  gramos por litro a aguas salobres, incluso salmueras en algunos casos. Lo habitual es que las aguas potables no superen el valor de 1,5 gr/lt. Esta es una solución eléctricamente conductora, que sí permite el proceso corrosivo.

El tiempo de exposición es permanente. La columna de habilitación de un sondeo está de modo continuo sumergida en agua.

La relación del área catódica con respecto a la anódica es 1:1, si los elementos de la columna son del mismo diámetro y espesor.

Velocidades de corrosión del acero al carbono en contacto con acero inoxidable.

La prevención de la corrosión galvánica se basa únicamente en tres supuestos:

  • Seleccionar metales que sean del mismo potencial electroquímico.
  • Evitar la presencia de electrolitos.
  • Establecer un medio aislante entre los metales que puedan formar la pila.

A efectos de la construcción de sondeos de captación de agua subterránea, los dos primeros supuestos son difícilmente aplicables.

La utilización de acero al carbono en las columnas de habilitación, para reducir costes en la ejecución es una posibilidad que ayuda a mejorar la amortización de la obra. La instalación de columnas completas de acero inoxidable en muchas ocasiones no se justifica económicamente por el coste  y la difícil amortización.

Por otra parte, el electrolito tampoco puede evitarse. En una columna habilitada, existirán tramos de acero inoxidable con acero al carbono por debajo del nivel freático, por tanto con electrolito permanente.

Por último, la única variable que se puede controlar es la utilización de acoplamientos dieléctricos o aislantes entre las columnas de diferente composición. De esta forma el par galvánico no se producirá y no habrá una corrosión galvánica como tal.

  1. CARACTERISTICAS DE LAS UNIONES DIELECTRICAS EN LAS COLUMNAS DE SONDEOS.

Los rasgos principales de este tipo de acoplamientos para los sondeos, que los hacen únicos son los siguientes:

  • No debe existir continuidad eléctrica a través de ellos. Para ello, una capa aislante debe proteger el área catódica de la anódica para que no exista contacto. Este aislante es un compuesto sintético como el PVC, Nilón, Polietileno, etc. El interior debe ser liso para que no se produzcan apoyos ni enganches de la columna de bombeo durante las fases de instalación y des-instalación.
  • Las propiedades mecánicas del acoplamiento deben ser equivalentes a las de la tubería o por lo menos, estar bajo los coeficientes de seguridad correspondientes a las cargas aplicables durante la instalación. Las columnas de habilitación son a veces realmente pesadas y los elementos aislantes deben estar dimensionados como para que no se produzca deformación en ellos al aplicar las cargas. La carga máxima por mm2 del material aislante para flujo, es el que define la carga máxima aplicable.
  • Los acoplamientos dieléctricos no están diseñados para transmitir torque continuo a la columna. En caso de que se necesitara habría que configurarlo específicamente para la aplicación. Esto es raramente aplicable debido a que las tuberías de habilitación deben entrar sin apoyos dentro de la columna perforada, por lo que la aplicación de torque sobre ellas no es una situación frecuente.
  • Los diámetros exteriores de la unión deben estar contenidos y ser los mínimos posibles. Lógicamente, cuanto mayor sea la carga a trasmitir mayor debe ser la sección de soporte del elemento aislante y como consecuencia de esto, el diámetro exterior del conjunto. No sería lo mismo dimensionar una unión dieléctrica para una columna de 10 ton que otra para una columna de 40 ton.
  • Los extremos de las dos tuberías que componen la unión deben estar biselados para poder realizar una buena soldadura.
  1. INSTALACION DE UNIONES DIELECTRICAS EN COLUMNAS DE HABILITACION.

Las uniones dieléctricas tienen un coste normalmente poco significativo comparado con el coste de la columna completa.

En un pozo perforado en 20”, habilitado con tubería de 14”, con filtro de ranura continua en acero inoxidable y con tubería ciega ASTM, de 150 mts de profundidad, la columna de habilitación completa se valora aproximadamente en 32 millones de pesos chilenos. El coste aproximado de una unión dieléctrica para ese diámetro puede llegar a 2 millones de pesos chilenos, lo que constituye casi el 6 % del valor de la habilitación. Si este valor se compara realmente con el coste total de la obra, 84 millones de pesos chilenos, solo se corresponde aproximadamente a un 2,5%. Teniendo en cuenta que un proceso de corrosión acelerada puede acabar con la obra en dos años, restando muchos años de vida útil a la captación, la utilización y recomendación de estos elementos está más que justificada.

El número de uniones dieléctricas a instalar en un pozo dependerá de la profundidad y disposición de las zonas acuíferas susceptibles de ser explotadas y la separación entre ellas.

Si el nivel freático es muy superficial, la profundidad de la captación es poca y la ubicación de la última criba es muy próxima a la superficie, lo más probable es que no se justifique económicamente su uso. Será más interesante poner los tramos ciegos de acero inoxidable hasta superficie.

Si por el contrario, la profundidad de la captación es significativa y la última criba está a cierta profundidad, utilizar tramos de tubería ciega inoxidable para llegar a superficie sí supone un desembolso importante. En este caso, comparar coste de un tramo de tubería de acero al carbono con unión dieléctrica, con uno de acero inoxidable es necesario; siendo lo más probable, que utilizar acero al carbono con unión dieléctrica sea mucho más ventajoso que utilizar acero inoxidable para toda la columna.

Si estamos en un contexto de acuífero multicapa, de gran profundidad, con gran separación entre zonas susceptibles de ser explotadas, el uso de varias uniones dieléctricas que alternen tramos de acero al carbono con tramos de cribas de acero inoxidable en zonas acuíferas, se justifica plenamente.

El número de uniones dieléctricas a utilizar es una decisión económica a nivel de costes de ejecución. La utilización de estos elementos supone que la combinación del uso de tuberías de acero al carbono con otras de acero inoxidable sea estable en el tiempo y no repercuta en la reducción de la vida útil de un pozo debido a corrosión galvánica.

La no utilización de estos elementos, uniendo tuberías metálicas de acero al carbono e inoxidable provoca corrosión galvánica. El proceso corrosivo ataca al borde de la soldadura que une los dos metales, en toda la sección del ánodo. Como si fuera una sierra, la tubería se corta finalmente permitiendo la entrada de grava del filtro y finos procedentes de la formación, arruinando en muchas ocasiones la obra.

La justificación del uso de estos elementos se hace más patente en captaciones que sufren de explotación continua y abastecen municipios, industrias e instalaciones industriales que dependen del suministro hídrico para su funcionamiento, donde los pozos son una parte esencial de su proceso. Un buen mantenimiento de la columna de impulsión, con inspecciones periódicas, una limpieza de la habilitación cada cierto tiempo y un desarrollo del filtro garantizarán la continuidad de la captación hasta más allá de su vida útil programada.

Existen multitud de pozos arruinados por este motivo. Plantear el uso de una captación para un periodo de 10 años como mínimo y no instalar una unión dieléctrica en medio de dos tuberías metálicas de distinto potencial electroquímico constituye un error de proyecto importante, ya que puede limitar mucho la vida útil de la captación.

  1. CONCLUSIONES.
  • Evitar la corrosión dentro de una captación de agua subterránea debe ser para proyectistas, contratistas y usuarios finales una prioridad. El interés es común a cada una de las tres partes y el coste de la instalación es despreciable con respecto al coste total de la obra.
  • La utilización de uniones dieléctricas para unir dos tuberías metálicas de diferente composición y evitar corrosiones aceleradas es vital para garantizar el buen funcionamiento de la captación durante toda su vida útil.
  • Determinar el número de uniones a utilizar en un sondeo es un análisis puramente económico.
  • Facilitar al proveedor las cargas aplicables en el momento del pedido, profundidad, etc., y requerir las dimensiones de la unión para asegurar los espacios anulares convenientes para que el proceso de habilitación y engravillado si procede, se realice de forma conveniente.

Por: Lino Del Campo Castañeda

Director Técnico ATI Trade SpA