Ap Anexo 2 - Interferências CA em Dutos

8/9/2019 Ap Anexo 2 - Interferncias CA em Dutos

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IBP495_03

INTERFERNCIA POR CORRENTE ALTERNADA EM DUTOSJoo Hipolito de Lima Oliver 1

Copyright 2003, Instituto Brasileiro de Petrleo e Gs - IBPEste Trabalho Tcnico foi preparado para apresentao na Rio Pipeline Conference & Exposition 2003, realizado no perodo de 22 a 24 deOutubro de 2003, no Rio de Janeiro. Este Trabalho Tcnico foi selecionado para apresentao pela Comisso Tcnica do Evento, seguindo asinformaes contidas na sinopse submetida pelo(s) autor(es). O contedo do Trabalho Tcnico, como apresentado, no foi revisado pelo IBP. Osorganizadores no iro traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, no necessariamente reflete as opinies doInstituto Brasileiro de Petrleo e Gs, Scios e Representantes. de conhecimento e aprovao do(s) autor(es) que este Trabalho Tcnico sejapublicado nos Anais daRio Pipeline Conference & Exposition 2003.

Abstract

This paper regards to the concerning that the pipeline operators should take in to account tobetter understand and control the alternate current interference (AC-interference).Pipelines sharing rights-of-way with AC high voltage power lines are subjected to ACinterference that can cause risk for personnel, operational safety and environment. The AC-interference shall be evaluated, in such way that mitigating action can be applied in order toassure the pipeline is operated in a safety way. The AC-interference evaluation should take in toaccount the pipeline and the electrical generation/transmission design data. Three approaches areconsidered: the coating integrity, the personnel chock hazards and the pipeline integrity.The coating integrity is affected by the possibility of high-voltage be induced on the pipelineduring power line current fault. The operation and maintenance personnel can be prone to chock

hazards (touch voltage and step voltage), depending upon the level of the induced voltage on thepipeline and the ground current. An induced voltage evaluation is then necessary to identify ACpotentials in pipeline higher than the safe criteria.The pipeline integrity is concerning to the possibility of occurring alternate current corrosion(AC-corrosion) on the pipe wall. This kind of corrosion is still been investigated, and although itis less critical than the direct current corrosion, it can happen in specific situation. Parametersthat affect AC-corrosion are discussed in this paper.Finely it is presented a brief guide to evaluate the possibility of occurring AC-interference in apipeline and a mitigation measures summary.

Resumo

Esse trabalho refere-se aos cuidados que as empresas operadoras de dutos devem tomar paramelhor entender e controlar as interferncias por corrente eltrica alternada (interferncia CA).Os dutos instalados em corredores compartilhados com linhas de transmisso (LT) em correntealternada (CA) de alta e mdia tenso esto sujeitos s interferncias desses sistemas eltricosque podem ameaar segurana pessoal, operacional e ao meio-ambiente. Tais interfernciasdevem ser estudas e avaliadas criteriosamente de forma a que, onde necessrio, medidasmitigadoras sejam tomadas para que os dutos operem dentro dos padres de segurana. Osestudos devem levar em considerao dados de projeto do sistema eltrico de transmisso egerao e do sistema dutovirio._______________________________________________________________________________________________

1 Engenheiro de Equipamentos, Consultor Tcnico, Petrobras Transporte S.A.


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Trs abordagens so consideradas nessa avaliao: a integridade do revestimento anticorrosivo, orisco de choque eltrico do pessoal de operao e manuteno e a integridade fsica do duto.A integridade do revestimento afetada pelos nveis de tenso eltrica no duto em regimetransitrio, ou seja, em momentos de curto-circuito da LT. O pessoal de operao e manutenodo duto pode correr o risco de choque eltrico (tenso de toque e tenso de passo), dependendo

dos nveis de tenso eltrica induzida no duto e da corrente de falha. Uma avaliao dospotenciais induzidos necessria para identificar potenciais superiores ao limite especificado.A integridade fsica do duto refere-se possibilidade de ocorrer corroso por CA. Esse processo,embora menos grave que a corroso eletroltica por corrente contnua, est ainda sobinvestigao podendo ocorrer em situaes especficas. Parmetros para determinar apossibilidade de corroso CA so apresentados.Por ltimo apresentado um procedimento para orientar a criao de um plano de ao para

avaliar a possibilidade de ocorrer interferncia CA em um duto e suas medidas mitigadoras.

Introduo

Os dutos instalados em corredores compartilhados com linhas de transmisso (LT) em correntealternada (CA) de alta tenso (69 kV, 138 kV, 230 kV, 500 kV etc.) e mdia tenso (tipicamente13 kV) esto sujeitos de alguma forma s interferncias desses sistemas eltricos que podemcausar riscos segurana pessoal, operao e ao meio-ambiente.Os crescentes investimentos em segurana operacional e integridade de dutos, o crescimento dosistema eltrico de gerao e transmisso e a qualidade dos revestimentos anticorrosivos dosdutos fazem com que novas avaliaes sejam feitas nos dutos instalados em corredores comuns LTs.Tais interferncias devem ser estudas e avaliadas criteriosamente de forma que, onde necessrio,medidas mitigadoras sejam tomadas para que os dutos operem dentro dos padres de segurana.Basicamente, trs abordagens so consideradas na avaliao da interferncia por correntealternada em dutos: a integridade do revestimento anticorrosivo, o risco de choque eltrico aopessoal (operao, manuteno e inspeo) e a integridade fsica do duto.

1. A INTERFERNCIA CA

A corrente alternada ao circular numa LT pode induzir uma tenso tambm alternada em dutosprximos a esta, pois os dutos com seu revestimento anticorrosivo podem ser induzidos eapresentarem uma diferena de potencial entre a sua superfcie metlica e o solo onde seencontra enterrado. Essas interferncias podem causar danos ao revestimento anticorrosivo, riscode choque eltrico ao pessoal e dano ao duto. Por isso, devem ser devidamente avaliadas econtroladas.

As avaliaes devem levar em considerao dados de projeto do sistema eltrico de transmissoe gerao, assim como, dados do sistema dutovirio. A magnitude da interferncia depender deparmetros como:

Geometria dos traados do duto e da LT, Nveis de corrente e tenso eltricas da LT, Capacidade de corrente de curto da LT, Caracterstica construtiva das torres da LT, Aterramento das torres de AT, Estado do revestimento do duto e Resistividade do solo.


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Corredores comuns contendo dutos enterrados e LT devem ser estudados quanto aos efeitos dainterferncia CA ao duto. A figura 1 mostra um exemplo desses corredores CA.

Figura 1 Corredor compartilhado duto e Linha de Transmisso.

2. INTEGRIDADE DO REVESTIMENTO ANTICORROSIVO

A integridade do revestimento afetada pelos nveis de tenso eltrica induzida no duto emregime transitrio, ou seja, em momentos espordicos de curto-circuito da LT, mais notadamenteem curtos fase-terra, onde tenses CA so impostas entre a superfcie metlica do duto e o solo.Essas circunstncias ocorrem por curtssimo tempo enquanto o curto-circuito persistir, ou seja,at o tempo da atuao da proteo da LT, o que normalmente ocorre em menos de um segundo.Nesse perodo o revestimento anticorrosivo do duto submetido a uma tenso eltrica que pode

ser superior a sua tenso de ruptura dieltrica, o que levaria perfurao do mesmo devido abertura de arco eltrico.

Este fenmeno primeiramente avaliado na fase de projeto do duto, onde clculos de tensoinduzida ao longo do duto so realizados com auxilio de programas computacionais logo na fasede projeto, quando se sabe previamente que o duto ser instalado em um corredor compartilhadocom linhas de transmisso eltrica CA.

No caso de duto em fase de projeto, ou seja, ainda no instalado, a avaliao do nvel de tensoinduzida considera principalmente a geometria dos traados do duto e da LT, a capacidade decorrente de curto fase-terra da LT, a caracterstica construtiva das torres da LT e o aterramentodas torres, alm do tipo de revestimento anticorrosivo previsto para o duto.

Para dutos existentes, essa avaliao deve ser complementada com um levantamento de campopara atualizao dos parmetros dos sistemas eltricos e dutovirio, que podem sofrerampliaes e alteraes ao longo da vida operacional; por exemplo, novas aproximaes das LTsao longo do duto, aumento da demanda do sistema de gerao e transmisso e degradao dorevestimento anticorrosivo. A degradao do revestimento pode ocorrer devido a fatores como:envelhecimento e danos ao revestimento causados por terceiros ou por movimentao do solo. Olevantamento de campo visa obter dados atualizados quanto ao nvel de aterramento real do duto,ele necessrio, pois a tenso induzida ser menor quanto maior for o nvel de aterramento do

duto, ou seja, maior a degradao do revestimento.


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O limite de tenso tpico suportvel para os revestimentos depende de suas caractersticasconstrutivas. Para os revestimentos betuminosos (coal-tar e asfalto) e a base de polmeros(polietileno e polipropileno) adotado o limite de 5 kV, para os revestimentos a base de epxi utilizado o limite de 3 kV.

Uma vez verificado que os nveis de tenso calculados so superiores aos limites pr-estabelecidos, medidas mitigadoras devem ser previstas para limitar os valores de tenso. Asaes mitigadoras devem considerar: a relocao da faixa do duto projetado, alterao no sistemade aterramento das torres e implementao de um sistema de aterramento especfico para o duto.

3. RISCO DE CHOQUE ELTRICO DO PESSOAL

O risco de choque eltrico em pessoas que toquem na tubulao deve ser avaliado nos pontos deafloramento ou exposio da tubulao. Os servios realizados pelo pessoal de operao,inspeo e manuteno do duto podem expor o pessoal ao risco de choque eltrico caso surja

uma diferena de potencial eltrico entre a parede metlica do duto e o solo (potencial de toque)ou entre dois pontos no solo (potencial de passo), dependendo dos nveis de tenso eltrica.Esses potenciais podem surgir em regime transitrio ou em regime permanente. Em regimetransitrio, caso de curto-circuito na LT, o tempo de durao desse potencial muito curto. Emregime permanente, esse potencial est presente por longos perodos e surge em funo dodesbalano da corrente nas trs fases da LT ou da disposio assimtrica dos trs cabos das fases,em ambos os casos, o campo eltrico resultante na LT ser diferente de zero, essa resultante podeento induzir uma tenso no duto.

Essa induo torna-se mais evidente em dutos novos com revestimento anticorrosivo com altonvel de isolamento eltrico, pois se por um lado a proteo anticorrosiva (por barreira) mais

eficiente, por outro o maior grau de isolamento entre o tubo e o solo favorece a induoeletromagntica. O contato do pessoal com partes metlicas do duto e o solo ou pontos aterradospodem causar choque eltrico.

3.1. CORRENTE ELTRICA MXIMA SUPORTVEL

A corrente capaz de causar sensao de choque, porm sem danos a pessoa (sem fibrilao), conhecida como corrente eltrica mxima suportvel por seres humanos. Essa corrente, emfuno do tempo de exposio, pode ser calculada pela frmula de Dalziel:

I max = 116/t1/2 (mA)

Onde t o tempo de durao da tenso em segundos.

Considerando o tempo mximo de 1 segundo para a operao do sistema de proteo eltrico, ouseja, de durao do curto-circuito, teremos uma corrente suportvel de 116 mA.

A resistncia eltrica do corpo humano considerada entre extremidades, isto , entre a mo e osdois ps (toque), ou entre um p e outro (passo). Para efeito de clculo a norma ANSI/IEEE 80 1986/2000 (1) selecionou o valor nico de 1000 ohms para ambos os casos.

A tenso de toque associada a corrente mxima suportvel estabelecida atravs de um modelode circuito eltrico que considera a resistncia do corpo humano (1000 ohms), das botas(5000 ohms) e da superfcie do solo (funo da resistividade do solo).


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3.2 MEDIO DO POTENCIAL CA

A norma NACE RP 0177/2000 estabelece como limite aceitvel de tenso induzida em dutos ovalor de 15 V, em regime permanente. A medio do potencial CA feita entre o duto e o solo,

com um voltmetro CA conectado ao metal do duto (tubo, ponto de teste, vlvula etc.) e a umasemi-clula de cobre/sulfato de cobre posicionada no solo sobre a diretriz do duto a ser avaliado,essa medida recebe o nome de potencial CA tubo/solo. Em dutos com grande extenso deparalelismo com LTs recomendado fazer o levantamento do potencial CA tubo/solo ao longode todo o trecho de paralelismo de forma parecida ao levantamento de potencial Passo-a-Passode proteo catdica, porm fazendo a medio do potencial CA a cada dez metros. A figura 2apresenta um levantamento tp ico do potencial CA Passo-a-Passo.

A medio do gradiente de tenso CA no solo, ou seja, a tenso entre dois pontos do solotransversal ao duto, pode ser necessria caso correntes elevadas circulem num solo de altaresistividade.

4. INTEGRIDADE FSICA DO DUTO (corroso CA)

A integridade fsica do duto refere-se a possibilidade de ocorrer perda de espessura da sua paredeexterna, quando eventuais correntes eltricas CA circulam entre o duto e o solo, este fenmeno conhecido como corroso por corrente alternada (corroso CA), isto pode ocorrer mesmo emdutos com sistema de proteo catdica (PC). Esse processo, embora menos grave que acorroso eletroltica por corrente contnua, pode ocorrer em situaes muito especficas e estsendo estudado principalmente na Europa com diversos trabalhos publicados (2). Esses estudosindicam que a corroso CA depende de fatores como:

Potencial CA tubo-solo, Densidade de corrente CA, Falhas no revestimento anticorrosivo, Composio qumica do solo e Relao de densidade de corrente AC / densidade de corrente de PC.

Ensaios de laboratrio realizados na Europa indicam existir um maior risco de corroso CA se adensidade de corrente em uma superfcie metlica de 100 mm2 maior que 30 A/m2. O aspecto

Figura 2 - levantamento tpico do potencialCA Passo-a-Passo em um duto.


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de corroso CA como um alvolo em forma de uma esfera invertida, sendo visvel um aroexterno ao alvolo. A figura 3 mostra uma foto de corroso CA.

Figura 3 Aspecto da corroso CA.

A circulao de corrente eltrica CA entre o duto e o solo determinante no processo decorroso CA, portanto a medio do gradiente de tenso CA no solo nos locais de falha dorevestimento pode indicar os locais de maior possibilidade de corroso. Como a resistividade dosolo tambm pode influenciar no valor desse gradiente, em faixas de dutos com grande variedadede solos, a resistividade do solo no local da falha do revestimento deve ser considerada.

Outra medida que pode determinar o risco de corroso a instalao de cupons onde a densidadede corrente CA atinge o seu mximo. Esses cupons so conjuntos formados por uma pea de aocarbono nua, de dimenses conhecidas, e uma semi-clula de cobre/sulfato de cobre, o conjunto

ento enterrado na mesma profundidade do duto e interligado ao duto por meio de umaconexo eltrica em um ponto de teste, onde possvel medir a corrente circulante na pea deao e o seu potencial CA e eletroqumico. Cupons de corroso adicionais feitos somente com apea de ao podem ser instalados para remoo futura e inspeo visual da forma de corroso.

5. COMO AVALIAR O RISCO DE INTERFERNCIA CA

Conforme discutido anteriormente, as trs abordagens consideradas na avaliao da interfernciaCA em dutos requerem tipos de inspees que podem ser distintas conforme o que se queravaliar. Portanto, o tipo de inspeo pode diferir caso a caso conforme a abordagem dada. A

seguir so sugeridas verificaes para cada abordagem considerada, visando orientar a criao deum plano de ao para avaliao e identificao de interferncia CA que um duto estaria sujeito.

5.1 AVALIAO DA POSSIBILIDADE DE DANOS AO REVESTIMENTO

A avaliao da possibilidade de danos ao revestimento pode ser feita em duas etapas distintas: nafase de projeto do duto e em dutos existentes. Durante a fase de projeto as seguintes verificaesso necessrias:

1) Levantamento da futura faixa de dutos,2) Levantamento das torres das LT existentes prximas a futura faixa,

3) Levantamento dos dados do sistema eltrico das LT e gerao,4) Clculo da mxima tenso induzida no duto em situao de curto-circuito na LT

(dados tpicos de projeto),


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5) Verificao com os critrios aceitveis de induo no duto e6) Identificao dos locais onde medidas corretivas devem ser tomadas.

No caso de dutos existentes, o procedimento similar ao acima, porm a diferena ocorre noclculo da mxima tenso induzida no duto, em funo da degradao do revestimento com o

tempo, onde um trabalho de campo deve ser considerado para obter dados mais precisos quantoao valor da resistncia transversal do revestimento utilizado nesse clculo.

5.2 AVALIAO DA POSSIBILIDADE DE CHOQUE AO PESSOAL

Conforme descrito anteriormente, essa avaliao considera basicamente as tenses induzidas emregime permanente, e depende de dados levantados em campo. Abaixo segue uma lista de itensque podem ajudar nessa avaliao.

1) Mapeamento da faixa de dutos,2) Mapeamento das torres das LT na faixa,

3) Identificar os corredores comuns entre dutos e LT,4) Localizao e demarcao do duto na regio de interferncia,5) Levantamento do potencial CA tubo-solo a cada 10 metros,6) Inspeo do revestimento e demarcao das falhas com estacas,7) Medio do potencial CA transversal entre duas semi-clulas de cobre/sulfato de

cobre, uma posicionada no solo no epicentro da falha do revestimento e outraposicionada a cerca de dez metros perpendicular diretriz do duto.

No caso de servios de operao e manuteno em um duto instalado nessa regio, no local dainterveno deve ser medido o potencial CA tubo-solo.

5.3 AVALIAO DA POSSIBILIDADE DE CORROSO CA

O Comit de Estudo da Corroso e da Proteo de Dutos (2) elaborou um documento sugerindoum guia para a avaliao do risco e medidas mitigadoras para a corroso CA. Este documentocontem um questionrio para identificar um caso de corroso AC. Segue abaixo uma lista deitens que devem ser observados para essa avaliao.

1) Presena de voltagem AC no duto,2) Presena de falha no revestimento,3) Presena de corroso,4) Potenciais de proteo catdica dentro dos critrios de proteo,5) Valor de pH muito alto (maior que 10),6) Escavao e inspeo da parede metlica do duto nos pontos de falha do

revestimento. A forma da corroso um pite arredondado (como uma esfera inversa),7) O pite de corroso muito maior que o defeito do revestimento,8) Os produtos de corroso podem ser facilmente removidos em uma nica pea,9) Aps a remoo dos produtos de corroso, uma camada preta visvel na superfcie

do ao,10) Resistividade do solo baixa/muito baixa,11) Presena de uma rea grande de descolamento no revestimento em forma de aro,12) Presena de grande quantidade de carbonato de clcio,

13) Presena de magnetita junto com o produto de corroso (pode ser verificado com umim),14) Presena de uma formao de solo em rocha dura.


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Se a maioria dos itens acima correr em uma tubulao, pode ser concludo que provavelmentetrata-se de um caso de corroso AC.

6. MEDIDAS DE PROTEO

6.1. PROTEO DO REVESTIMENTO ANTICORROSIVO

Uma vez que os clculos identificarem potenciais superiores ao limite especificado para o tipodo revestimento do duto, aes mitigadoras devem ser tomadas para garantir a integridade dorevestimento, como a instalao de cabos de aterramento ou anodos (zinco, anodeflex, etc)paralelos ao duto conectados ao duto por dispositivo de drenagem AC e bloqueio CC oumelhoria no aterramento das LTs.

6.2. PROTEO CONTRA CHOQUE ELTRICO DO PESSOAL

Uma vez que os levantamentos identificarem potencial superior ao limite especificado aesmitigadoras devem ser tomadas para garantir segurana ao pessoal, entre elas esto: Instalao de malhas de aterramento temporrio nas vlvulas do duto, para reduzir a tenso

induzida e equalizar s tenses do duto e do solo, Instalao de plataforma isolante do solo nas reas de vlvulas, Uso de EPI (luvas e botas isolantes) para o pessoal de operao, manuteno e inspeo e Instalao de cabos de aterramento ou anodos (zinco, anodeflex, etc) paralelos ao duto

conectados ao duto por dispositivo de drenagem AC e bloqueio CC.

Os nveis de tenso induzida podem variar com o tempo e estao do ano. Por exemplo, duranteo vero o consumo de corrente eltrica superior ao resto do ano, principalmente no horrio depico de carga, o que pode resultar numa maior induo de tenso na tubulao. Por essa razo recomendado realizar o levantamento do potencial CA na poca do vero.

Durante servios de manuteno de um duto localizado em um corredor de LT CA, deve sersempre medido o potencial CA tubo/solo e considerado o aterramento temporrio do duto. Esseaterramento deve ser feito conectando provisoriamente ao metal do duto hastes de aogalvanizado, anodos de zinco ou magnsio ou malha de ao sobre o solo. Aps o servio demanuteno o aterramento deve ser retirado.

6.3. PROTEO DO DUTOO documento do Comit de Estudo da Corroso e da Proteo de Dutos (2) sugere uma tabelacom as medidas mitigadoras para a corroso CA. Essa tabela est reproduzida abaixo comcomentrios das respectivas medidas.


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Medidas Mitigadoras Comentrios

Aumento da corrente de proteo catdicaSomente possvel em casos de interferncia CAmuito baixa.

Aumento da distncia entre o duto e as LTs Somente possvel na fase de projeto.

Arranjo dos cabos de fase e aterramento da LTs Somente possvel na fase de projeto das LTs.Aterramento do duto.

Boa soluo tcnica, porm com limitaes emsolo de alta resistividade.

Compensao da tenso CA (fontes de tensodefasada 180o da tenso induzida CA).

Ajuste difcil e alto custo de instalao eoperao das fontes.

Instalao de juntas de isolamento.tima configurao, requer parada de operaodo duto.

Reparo das falhas do revestimento. Requer trabalhos de manuteno.Trocar o solo de baixa resistividade navizinhana do duto por outro de altaresistividade.

Procedimento muito caro.

Uso de cabos de aterramento paralelo ao duto. Muito caro e pouco eficiente.

7. CUIDADOS COM O SISTEMA DE PROTEO CATDICA

Os sistemas de aterramento utilizados para reduzir as tenses induzidas no duto podem afetarnegativamente o sistema de proteo catdica (spc) do duto, pois caso o aterramento sejaconectado diretamente ao duto haver perda de corrente de proteo ou formao de pargalvnico com hastes de cobre. Para evitar efeitos negativos no spc, os sistemas de aterramentodevem ser preferencialmente de eletrodos de ao galvanizado, zinco, magnsio ou anodoscontnuos de polmero carregados com carbono, como tambm, conectados ao duto via

dispositivos especficos que permitam a passagem da corrente alternada e bloqueiam a correntecontnua do spc, como as clulas de polarizao.

8. CONCLUSES

8.1 Dutos instalados em corredores comuns s Linhas de Transmisso devem ser avaliadosquanto interferncia CA. A avaliao de tenso induzida ao longo do duto deve conterclculos especializados e levantamentos de campo.

8.2 No caso de dutos existentes, o levantamento do potencial CA Passo-a-Passo, realizado napoca de maior demanda de energia, fornece informaes importantes sobre os nveis detenso induzida ao longo do duto.

8.3 Dutos com revestimento de alta resistncia transversal (polietileno e polipropileno tri-capa) esto mais sujeitos interferncia CA. Nesse caso, a inspeo de falhas dorevestimento importante para a avaliao da corroso CA.

8.4 Medidas mitigadoras devem ser adotadas sempre que as avaliaes indicarem risco aorevestimento, ao pessoal ou ao duto.

8.5 O uso de EPI (luvas e botas) deve ser difundido para os servios de manuteno,operao e inspeo de dutos instalados nos corredores compartilhados com LTs.

9. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

(1) Norma ANSI/IEEE Std 80-2000, IEE Guide For Safety In Ac Substation Grounding, Item 7.2.(2) A.C. Corrosion on Cathodically Protected Pipelines, CEOCOR Comit d dude de la

Corrosion et de la Protection des Canalisations, published by APCE - Association for theProtection against Eletrolytic Corrosion. 2001.

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