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Modelo de vida util para estructuras acero-zinc utilizadas en la transmision de energia electrica en Colombia.

Useful Life Model for Steel-Zinc Structures used in the Transmission of Electric Power in Colombia

INTRODUCCION

El primer fenomeno que ocurre en los materiales para pasar a su estado natural es la corrosion. La corrosion atmosferica es la degradacion y destruccion de los materiales metalicos, cuando estos interactuan con la atmosfera, es un proceso lento y ocurre de manera espontanea, el cual se puede prevenir o controlar, pero no se puede evitar pudiendo generar fallas en el sistema impactando la seguridad y la disponibilidad de los activos. Las empresas de transmision de energia electrica cuentan con infraestructuras (Activos/Unidades Constructivas), las cuales estan conformadas de manera general por lineas de transmision -LT- y subestaciones -SE-.

En Colombia existe alrededor de 11,500 km de LT a 220 y 230 kV, y 2,410 km a 500 kV (UPME, 2008), lo que supone grandes cantidades de material metalico, expuestos al efecto agresivo de las atmosfera o medios circundantes. Tipicamente los activos de transmision describen un modo de falla que se puede dividir en dos zonas, la primera con una tasa de falla constante y la segunda una zona de degradacion en la cual la tasa de falla es creciente (Jiang et al., 2006). Algunos estudios (Endrenyi y Anders, 2006) destacan que del 100% de fallas de un sistema de potencia, un 55% de fallas se deben a condiciones atmosfericas y un 14% a envejecimiento, siendo un problema importante sobre la infraestructura considerando que en Colombia existen estructuras con mas de 20 anos de instalacion.

Entre los estudios de corrosion para el sector electrico se destacan autores como Mango (2001), quien analiza dos alternativas de proteccion para los radiadores de los transformadores, se compara si pintar (incluyendo mantenimiento) con el galvanizado de los radiadores. Concluyen que es mejor tecnica y economicamente realizar el galvanizado para obtener una vida util promedio de 32 anos. Recientemente Linares et al. (2006), realizaron un analisis de falla por corrosion en conductores de aleacion de aluminio 1350 (ACAR 1100) y 6201 (AACSR 1191) perteneciente a una linea de transmision de 400 kV ubicada en una zona costera e industrial, encontrando que la picadura es la falla que mas se presenta siendo de gran impacto en la seguridad funcional del conductor. Adicionalmente Vera et al. (2006), evaluaron el efecto de los contaminantes atmosfericos en los conductores de energia electrica (AA6201) identificando que la picadura es el fenomeno que mas ataca a los conductores de aluminio y el ambiente marino influye en la agresividad de la corrosion. En el caso de materiales como el cobre Vera et al. (2007), concluyen que la agresividad de la corrosion sobre este material no es significativa, lo que conlleva a una tasa de corrosion muy baja y para el acero galvanizado. Vera y Canas (2005), establecen una mayor vida util para aquellas estructuras que utilicen proteccion adicional como la pintura.

En Colombia se han adelantado proyectos (Minotas et al., 1996), buscando principalmente la identificacion de grados de corrosion atmosferica. En CIC (2004), se establece que en terminos generales, el mantenimiento en las estructuras es indispensable para preservar la vida util de estas y esto es aun mas critico en el caso de infraestructura instalada en zonas con atmosferas marinas. Define que la vida util de torres de transmision galvanizada sometidas al ambiente marino, es del orden de 10 anos, si no se realiza ningun mantenimiento a la misma y que una de las opciones para aumentar el tiempo de vida util es pintar la estructura al menos 3 anos despues de instalada, accion que podria alargar el tiempo de vida util hasta 35 anos. En Maya (2007), se describen tres tipos de grados de corrosion y se define que la expectativa de vida de un elemento atacado por la corrosion depende del tiempo de servicio, la condicion actual y la velocidad de corrosion. Adicionalmente, se propone una metodologia para el manejo integral de la corrosion en LT el cual identifica 11 puntos de control de corrosion y establece un rango (6-12 anos) de vida util de los componentes de una LT de zonas altamente agresivas. En la Resolucion 74 de 2005 (ww.creg.gov.co) se establece una franja de 30 km desde el litoral para reconocer por contaminacion salina en el Nivel I. Se concluye que el ancho de la franja podria determinarse mas exactamente si se lograra levantar un modelo predictivo (por ejemplo del tipo exponencial inverso) pero de cualquier forma, la distancia maxima para ser influenciados por el fenomeno salino no superaria los 30 km (Cabe destacar que a nivel del Sistema de Transmision Nacional se reconoce una franja de hasta 100 km).

Dada la importancia de establecer mecanismos que aminoren el impacto por degradacion en los activos, tanto en la confiabilidad, como en la disponibilidad de las mismas, este trabajo presenta el impacto de la corrosion atmosferica de manera que permita identificar diferentes alternativas de mantenimiento, reposicion y planes de inversion futura en el contexto de la vida util regulatoria.

MATERIALES Y CORROSION ATMOSFERICA

Los factores mas importantes a tener en cuenta de acuerdo a la atmosfera y sus efectos en el material son la temperatura, la humedad relativa, las precipitaciones anuales y el Tiempo de humectacion -TdH-. Este ultimo ha tomado mayor relevancia, debido a que indica el tiempo durante el cual la superficie del metal ha estado cubierta por una capa de electrolito, generalmente agua, que contiene contaminantes de la atmosfera y esto podria incrementar la tasa de corrosion. Sin embargo, la lluvia sirve para diluir contaminantes corrosivos y lavar la superficie del metal, conllevando a la disminucion de la tasa de corrosion. La diferencia que se presenta en los valores de temperatura y humedad relativa de los diferentes ambientes influye en el comportamiento de la corrosion, debido a que el TdH ocurre a diferentes rangos de temperatura y por ende pueden ocurrir diferentes tasas de corrosion. A su vez la temperatura del metal y los valores de TdH pueden ser influenciados por la direccion del viento, debido a que cambian el contenido de contaminantes en la superficie del metal o por el contrario aumentan el nivel de deposicion, generando una mayor erosion del metal.

La quimica de la atmosfera esta estrechamente relacionada con la agresividad y los principales contaminantes son los cloruros ([Cl.sup.-]) y el dioxido de azufre (S[O.sub.2]), estos pueden acelerar en gran magnitud la tasa de corrosion atmosferica, debido a que estas particulas suspendidas absorben agua lo que incrementa el periodo de TdH y por tanto el proceso corrosivo. La principal fuente de cloruros son particulas suspendidas de sal en entornos marinos, cloruro hidrogenado y hipocloruro de sodio en el entorno de plantas industriales. Los iones de cloruro ([Cl.sup.-]) son la principal fuente para acelerar la corrosion, y en particular ataque por picadura, debido a que penetran y destruyen la capa protectora de los metales.

Para el caso del sulfato, se encuentra en atmosferas urbanas e industriales, que en presencia de oxigeno se puede convertir en acido sulfurico en la capa de humedad que se crea en la superficie de los metales, algunos metales tales como el aluminio y el zinc son relativamente resistentes a atmosferas con pH neutro, pero se corroen rapidamente en ambientes acidos al igual que materiales inmersos en gases atmosfericos con alto numero de iones. En el sector electrico los materiales comunmente utilizados son el acero, el zinc, el cobre, el aluminio y aleaciones de estos, los materiales considerados en este trabajo son el acero y el zinc.

MODELO DE VIDA UTIL

Los modelos predictivos buscan determinar la curva de vida util de las estructuras o su vida remanente, con el fin de cuantificar los impactos y efectos de los procesos de degradacion que permitan identificar el impacto de los diferentes tipos de mantenimiento sobre la vida util de la estructura considerando aspectos, tales como, la seguridad y la confiabilidad. Para identificar el modelo de degradacion por corrosion atmosferica se identifican tres aspectos importantes, la definicion de la tasa de corrosion, la funcion distribucion de probabilidad para una determinada tasa de corrosion o vida util y las actividades (mantenimientos) que incidan en la vida util.

La variable fundamental para establecer la vida util de una estructura es la tasa de corrosion (Kutz, 2005), de donde la vida util de la estructura se puede estimar como la proporcion entre la tasa de corrosion y el grosor minimo de la estructura en el cual no se presenten fallas funcionales de la misma. La anterior definicion se utiliza para tasas de corrosion uniforme y localizada. En la norma ISO 9223 (1992), se define la manera de encontrar la perdida de masa por ano de materiales estandar (acero y zinc). En general, la tasa de corrosion Tc (g/[m.sup.2]) de un metal despues de un tiempo t (anos), depende directamente de la primera tasa anual de corrosion atmosferica [Tc.sub.1], (g/[m.sup.2] o [micron]m) y es dependiente del tiempo (n), de acuerdo a la siguiente formula (Veleva y Kane, 2003):

Tc = [Tc.sub.1][t.sup.n] (1)

Donde [Tc.sub.1] y n dependen de los parametros del metal y el clima. Los valores tipicos de n estan en un rango de 0.5 a 1, donde la mayoria de los valores son cercanos a la unidad. Para obtener una relacion lineal entre Tc y t, se utiliza un modelo bilogaritmico, de la siguiente forma:

log Tc = [Tc.sub.1] + n log t (2)

El parametro [Tc.sub.1] depende de las propiedades del lugar, de ahi que se correlacione con las variables climaticas y la quimica de la atmosfera, teniendo en cuenta lo anterior, se correlaciona los niveles de contaminantes de dioxido de azufre y cloruros, mediante la siguiente expresion:

[Tc.sub.1] = [a.sub.1] + [a.sub.2]TdH + [a.sub.3][C.sub.SO2] + [a.sub.4][C.sub.Cl] (3)

Donde [a.sub.1], [a.sub.2], [a.sub.3], y [a.sub.4] son coeficientes, y representan la tasa de deposicion (mg/[m.sup.2]/dia) de dichos contaminantes.

Una parte importante de los sistemas a analizar, es definir su comportamiento, o su funcion de distribucion que describa el proceso, en sistemas de deterioro algunos autores como Grall et al. (2002), utilizan la funcion Gamma; Gustavsen y Rolfseng (2005), utilizan la funcion Gauss, la distribucion Gumbel's y la distribucion normal y, Lefebvre (2003) la distribucion Weibull.

Para el desarrollo del modelo se ha seleccionado la tecnica de cadenas de Markov (IEC 61165, 2006). Autores como Anders et al. (2001); Tapias (2004); y Gustavsen y Rolfseng (2005) implementan cadenas de Markov sobre equipos de transmision de energia. De manera similar Amari y McLaughlin (2004), desarrollan un modelo de mantenimiento basado en condicion, el cual aplica procesos de decision de Markov para identificar las actividades de mantenimiento a seguir y su programacion. El modelo desarrollado en este trabajo consiste en identificar el mecanismo de degradacion con el fin de establecer la vida util de los materiales e identificar que actividades realizar sobre la infraestructura, ya sea de un material o un grupo de materiales, por ejemplo una torre de transmision, y sus respectivas funciones de perdida de masa y valoracion del grosor en el tiempo, lo que permitiria definir limites de falla funcional o falla catastrofica. Dichos limites tienen asociada una incertidumbre, de ahi que para un determinado valor de grosor o vida util (tiempo) se asume un comportamiento basado en una distribucion de probabilidad. Para establecer la vida media util perteneciente a cada zona se asume una distribucion Weibull y se obtiene una funcion distribucion de probabilidad mediante la simulacion de aleatorios implementados en MATLAB (R) R. Para cada zona se implemento su respectiva cadena de Markov en funcion de la vida util obtenida de las funciones de degradacion y la duracion en cada estado para obtener la tasa de cambio y de esta manera poder evaluar la disponibilidad A(t) del sistema. El modelo se implemento en Relex (r) Reliability Studio 2007 v2 -Evaluation-.

Para establecer la frecuencia optima de inspeccion, mantenimiento correctivo y preventivo se implemento el modelo propuesto por Amari y McLaughlin (2004), el cual utiliza la tecnica de Chapman-Kolmogorov (Amari y McLaughlin, 2004; Siqueira, 2004) para establecer una solucion analitica a las cadenas de Markov. Se asume que el tiempo de inspeccion y de reemplazo es muy pequeno comparado con el tiempo total del sistema o componente. La tasa de inspeccion optima (tiempo medio entre inspecciones) se halla mediante el metodo de biseccion al establecer la tasa a la cual la disponibilidad es la mayor. Para el caso del tiempo medio entre mantenimientos correctivos y/o preventivos, se establece la probabilidad de que se encuentre en el estado de falla y la probabilidad de que se encuentre en el estado de mantenimiento. El tiempo medio entre inspecciones MTBI, el tiempo medio entre mantenimientos correctivos MTBCM, el tiempo medio entre mantenimiento preventivo MTBPM se calcula segun Amari y McLaughlin (2004). El modelo fue implementado en MATLAB (R) R.

En el marco del proyecto de investigacion (COLCIENCIAS/CREG, 2008) se recolectaron variables atmosfericas del territorio nacional, tales como, temperatura, humedad relativa, altitud, y TdH. Se identificaron 114 puntos, y empleando metodos estadisticos de analisis de cluster se agruparon en 6 familias de diferente agresividad. De cada una de estas familias se eligieron 2 sitios, para un total de 12 puntos representativos para realizar mediciones de corrosividad atmosferica durante 14 meses (COLCIENCIAS/CREG, 2008).

Para establecer las funciones de degradacion de cada uno de los materiales (acero y zinc) se reagruparon los puntos de medida en funcion de los datos de contaminantes obtenidos para un periodo de un ano y se obtuvieron las siguientes zonas (Z): Z1 de Altos cloruros y sulfatos medios, Z2 de altos contenidos de sulfatos, Z3 de sulfatos moderados a bajo y la zona 4 de bajo contenido de cloruros y sulfatos. Partiendo de esta clasificacion se procedio a identificar las funciones para cada una de las zonas y dentro de estas zonas para cada uno de los materiales (acero y zinc). La funcion de corrosion ([T.sub.C]) del acero para predicciones menores a 10 anos se rige bajo la siguiente expresion:

[T.sub.CAcero] = ([PMZ.sub.n]/0,2358 x t) (4)

En la Tabla 1 se describen los factores de perdida de masa (PMZn) para las cuatro zonas establecidas y las funciones de corrosion para predicciones iguales o mayores a 10 anos (COLCIENCIAS/CREG, 2008). La funcion de corrosion ([T.sub.C]) del zinc para predicciones menores a 10 anos se rige bajo la siguiente expresion:

[T.sub.cZinc] = ([PMZ.sub.n]/0,2142 x T) (5)

En la Tabla 2 se describen los factores de perdida de masa (PMZn) para las cuatro zonas establecidas y las funciones de corrosion para predicciones iguales o mayores a 10 anos. En el caso del zinc para las zonas 2 y 4, la funcion de corrosion para predicciones menores a 10 anos es igual a la funcion de prediccion igual o mayor a 10 anos (COLCIENCIAS/CREG, 2008). Los parametros y consideraciones utilizadas en las funciones se describen de la siguiente manera: t, es el tiempo en anos; P, es el tiempo en bimeses; TdH, aumenta en la misma cantidad para todo el periodo de evaluacion en 203,58 dias. El area superficial en [m.sup.2] es de 0,03, la densidad (g/[cm.sub.3]) del acero y el zinc son de 7,86 y 7,14, respectivamente.

Con base en el modelo descrito anteriormente, se identificara la vida util de cada material dependiendo de la zona y su comportamiento para varias estrategias de recubrimiento, es decir, en el caso del acero galvanizado el comportamiento de la vida util en funcion de la capa de zinc (para diferentes grosores).

RESULTADOS Y DISCUSION

Los datos descritos anteriormente permiten caracterizar los 21 puntos de medida y el respectivo comportamiento de los materiales, de manera que podamos aproximar el comportamiento de los materiales en otras zonas que no hicieron parte de la experimentacion. Con base en las funciones de corrosion se establecio la vida util de los materiales para cada una de las zonas. Considerando que en las estructuras de lineas de transmision se utilizan grosores de 3/16 a 1/2 pulgada (Molina, 2008) se utilizo el grosor minimo 3/16 para establecer el mayor impacto sobre la vida util en funcion del grosor y el tiempo. En la Fig. 1 y Fig. 2., se observa la perdida de grosor en el tiempo del acero y el zinc, respectivamente. (Se asume que la perdida de grosor se realiza de manera uniforme sobre las placas instaladas).

[FIGURA 1 OMITIR]

[FIGURA 2 OMITIR]

En la Fig. 3 se describe el comportamiento de la vida util por zonas. Para el acero galvanizado se establecio el comportamiento probabilistico de la vida util de la estructura por zona considerando una distribucion Weibull con un factor de forma dos (2) y el factor de vida caracteristica de acuerdo a las funciones de degradacion.

[FIGURA 3 OMITIR]

[FIGURA 4 OMITIR]

En la Fig. 4 se observa la funcion distribucion de probabilidad. La disponibilidad se establece con base en las cadenas de Markov definidas para cada zona.

En la Fig. 5 se observa el comportamiento de la disponibilidad considerando una capa maxima de 85 y 140 micras de zinc en estructuras de acero de 3/16.

[FIGURA 5 OMITIR]

[FIGURA 6 OMITIR]

A su vez, se realizo una comparacion de vida util de las estructuras por nivel de altura para la zona 1, considerando dos tipos de escenarios. El primero corresponde a una zona con alta presencia de vientos y contaminacion industrial moderada a alta (A1), el segundo solo considerando un componente industrial moderado a alto (A2) comparado con la Zona (Z1). En la Fig. 6 se observa la incidencia de la altura sobre la vida util de estructuras de 3/16.

Por ultimo se hallaron los valores optimos de inspeccion, mantenimiento correctivo y mantenimiento preventivo. La simulacion se realizo para cada una de las zonas y considerando las estructuras de 3/16 con capas de 85 y 140 micras de zinc. En la Tabla 3 se observan los tiempos medios entre inspecciones (MTBI), mantenimientos correctos (MTBCM) y mantenimientos preventivos (MTBPM) de estructuras de 3/16 pulgada.

Considerando los valores de vida util del acero galvanizado y el comportamiento probabilistico se determina que la zona 1, la mas agresiva presenta una vida media cercana a la vida util regulatoria reconocida en Colombia de 25 anos. Sin embargo con los cambios regulatorios de vida util la zona 1 seria la mas afectada dado que se sugiere una vida util regulatoria de 40 anos lo que supondria que el valor adicional reconocido por contaminacion atmosferica compense las actividades para cumplir la vida regulatoria. Incluso se observa como en zonas industriales impactaria el aumento de vida util regulatoria. Caso contrario ocurre en las zonas 3 y 4, los cuales presentan vidas superiores a los 50 anos.

Los datos obtenidos de disponibilidad corresponden a estructuras de acero galvanizado para grosores de 85 y 140 micras de zinc. Se observa que la disponibilidad minima es para la zona 1. Sin embargo dichos valores no superan el limite de disponibilidad minima exigida por la CREG (www.creg.gov.co) de 0,9977 para el caso de lineas de transmision. El valor exigido por la CREG es referencial dado que supone para cualquier evento reconocido por la regulacion y no solo por contaminacion atmosferica. Lo que sugiere implementar actividades preventivas y predictivas que no impliquen la indisponibilidad del activo.

Se observa que la frecuencia de inspeccion de todos los casos simulados es cercana a las 10,000 horas (14 meses), con variaciones que oscilan en 15 horas. Dicha frecuencia nos permite definir un plan de inspeccion anual, considerando que para el primer ano se busca detectar imperfecciones de diseno y montaje y para las siguientes establecer posibles cambios en la agresividad de la atmosfera. Se establece que en la medida que se conozca el proceso de degradacion la actividad principal a desarrollar es un mantenimiento correctivo basado en la condicion de la estructura lo que disminuiria actividades preventivas y los costos asociados a estas, incluso con la implementacion de grosores adicionales por medio de recubrimientos (pinturas, grasas, etc ...) que incrementen la capa de proteccion y aumente el tiempo de intervencion de la estructura considerando que en el general presentan actividades logisticas importantes.

Se establecio que la vida util se ve fuertemente impactada por la altura y mas en zonas altamente agresivas, lo que aumenta las frecuencias de mantenimiento y sus costos asociados. Es indispensable contar con protecciones adicionales, por el ejemplo la combinacion de extragalvanizado y recubrimientos. La aplicacion del recubrimiento se considera desde el inicio del montaje, debido a que existen mejor condiciones para su preparacion e implementacion. De lo contrario, si se implementara un tiempo despues del montaje, no existiran las condiciones apropiadas y se incurriria en nuevas y frecuentes actividades de mantenimiento. Al considerar la vida util regulatoria de referencia se incrementa el numero de reposiciones que conlleven a cumplirla. En la practica, para aquellas zonas en la cual la vida util este muy cerca a la vida regulatoria, podria resolverse con buenas practicas en el montaje y una cuidadosa inspeccion para identificar danos menores.

CONCLUSIONES

El trabajo realizado muestra la importancia de adelantar estudios en el area de la corrosion atmosferica, lo cual permite conocer los mecanismos de degradacion de los materiales utilizados en el sector electrico en Colombia. La tecnica de cadenas de Markov mostro ser una herramienta agil para la simulacion de las diferentes zonas y los respectivos escenarios de grosores, para evaluar la disponibilidad, los tiempos de inspeccion y mantenimiento, lo que permite tener herramientas para toma de decisiones sobre la pertinencia de implementar una estrategia en particular. Estableciendo la tasa de corrosion para los diferentes puntos de medida, es posible identificar y definir limites admisibles o de perdida de funcion. De la misma manera identificar que tipos de mantenimientos a realizar, ya sea un galvanizado o un recubrimiento y su impacto dependiendo del grosor utilizado.

doi: 10.1612/inf.tecnol.4132it.08

AGRADECIMIENTOS

Al Grupo de Corrosion y Proteccion, al Grupo de Manejo Eficiente de la Energia -GIMEL- pertenecientes a la Universidad de Antioquia, COLCIENCIAS, la Comision de Regulacion de Energia y Gas -CREG- y a las empresas donde fueron instaladas las muestras.

REFERENCIAS

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Fernando Villada, Juan D. Molina y Esteban Velilla

Universidad de Antioquia, Facultad de Ingenieria, Departamento Ingenieria Electrica, Calle 67 No. 53-108, Oficina 19-441, Medellin-Colombia (e-mail: fvillada@udea.edu.co)
Tabla 1: Funcion de corrosion y factores de perdida de masa del acero.

                                               [T.sub.C] para t [mayor
               PM para t < 10 anos             que o igual a] 10 anos

Z1   26.1698/[1 + 12.6337 x                       8.556 x [t.sup.0.63]
     [e.sup.-0.804555 x (0.9095-P-0.6381)]]

Z2   23.2509/[1 + 3.6444 x                       44.536 x [t.sup.0.4]
     [e.sup.-0.185294 x
     (0.903 x P + 0.3881)]]

Z3   0.801176 + 0.433684 x                      12.956 x [t.sup.0.58]
     [(0.9185 x [P-0.6739.sup.1/2]).sup.2]

Z4   3.83184/[1 + 4.98507 x                      13.623 x [t.sup.0.3]
     [e.sup.-0.0117863 x ((TdH + t)/2))]]

Tabla 2: Funcion de corrosion y factores de perdida de masa del zinc.

                                                  [T.sub.C]
                                                  para t [mayor que
                PM para t < 10 anos               o igual a] 10 anos

Z1   0.774665/[1 + 5 39455 x                      3.103 x [t.sup.0.97]
     [e.sup.-0.853295 x (0.9095 x P-0.6381)]]

Z2   1.369 x [t.sup.0.9]

Z3   0.0153304 + 0.000469505 x                    0.731 x [t.sup.0.9]
     [(0.9185 x [P-0.6739.sup.2]).sup.1/2]

Z4   1.099 x [t.sup.0.8]

Tabla 3: Tiempo medio entre inspecciones y mantenimientos 3/16.

          Z1       Z2       Z3       Z4

MTBCM   11,93    24,35    47,64    89,58
MTBPM    9,08    11,70    15,27    19,95
MTBI    1,1435   1,1428   1,1425   1,1422
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Author:Villada, Fernando; Molina, Juan D.; Velilla, Esteban
Publication:Informacion Tecnologica
Date:Dec 1, 2009
Words:5080
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