Relación entre la protección catódica y el diagnóstico de DCVG

109 Boletín IIE, julio-septiembre del 2007
Relación entre la protección catódica
y el diagnóstico de DCVG
Miguel A. González N., José Ma. Malo T., Rosalba Chavarría M.*
y Pablo Durán E.*
La preocupación por la corrosión en tuberías enterradas ha ido en aumento con el transcurso
del tiempo, debido al envejecimiento de la protección mecánica de las tuberías, el cual da como
resultado defectos en el recubrimiento, dejando expuesto el metal en suelo corrosivo, en el
que se encuentra alojada la tubería. Si no existen niveles de protección catódica adecuados, se
propicia el fenómeno de corrosión en estos defectos, originando fallas inesperadas en las tuberías,
incrementando a su vez los costos de mantenimiento y reparación, así como la disminución
en la seguridad durante la operación, tanto para los trabajadores como para las comunidades
cercanas a las instalaciones de ductos. La técnica de Gradiente de Voltaje de Corriente Continua
(DCVG), además de localizar los defectos del recubrimiento en una tubería enterrada (los cuales
son sitios potenciales de corrosión), determina el estatus de la corrosión de los defectos y la
severidad en cuanto al consumo de corriente de protección que cada uno de éstos absorbe. Sin
embargo, toda esta información adquiere una mayor relevancia, cuando se correlaciona con las
condiciones de operación de los sistemas de protección catódica, para poder emitir recomendaciones
que conduzcan a la mitigación o erradicación de los problemas de corrosión, aunados
a una buena operación de los mismos.
Introducción
Se realizó un estudio para diagnosticar el sistema de protección
de un ducto de 18 km, realizado por personal del Instituto de
Investigaciones Eléctricas durante el segundo trimestre del año
2004.
El estudio contiene dos secciones: En la primera se incluyen las
mediciones realizadas al suelo en donde se aloja el ducto a lo largo
del derecho de vía. Se consideraron tres tipos de mediciones: resistividad
de suelos, utilizando el método de cuatro electrodos; potencial
REDOX, como indicador de la actividad microbiana y pH. Estos parámetros
ofrecen diferentes medidas de la agresividad potencial corrosiva
del suelo. En la segunda se contemplan las mediciones de potencial
en condiciones de “encendido” y “apagado instantáneo”, en postes
de medición del ducto, con el propósito de determinar el nivel real de
protección alcanzado por el sistema de protección catódica, las posibles
zonas desprotegidas tomando como base el criterio de protección
establecido por la NOM-008-SECRE-1999, las posibles medidas
correctivas que conduzcan a una operación segura de los ductos, así
como los defectos del recubrimiento a lo largo del ducto, su severidad
(%IR), ubicación y actividad de la corrosión.
* Pemex Gas y Petroquímica Básica.

Artículos técnicos
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Propiedades del suelo
Las características del suelo están determinadas por su composición química y sus
propiedades físicas. Para que un suelo sea corrosivo, algunas condiciones deben
cumplirse para que se lleve a cabo una reacción electroquímica: debe haber oxígeno
presente (o bacterias anaerobias), humedad y sales solubles del propio suelo.
Los factores más comunes para controlar el nivel de corrosividad de una masa de
suelo son: oxígeno, sales disueltas y elementos formadores de ácidos. Las pruebas que
en corrosión deben realizarse para evaluar el nivel de agresividad corrosiva del suelo,
incluyen la medición del pH, medidas de cloruros y sulfatos, resistividad total, acidez
total y el potencial REDOX. Sólidos volátiles y otras especies también son medidos,
dependiendo de las aplicaciones específicas.
En el caso del ducto bajo estudio, interesa conocer el nivel de agresividad del suelo, con
el propósito de evaluar el riesgo potencial de corrosión que éste representa, así como la
uniformidad o distribución relativa de las propiedades a lo largo de los ductos y las posibles
interferencias presentes en donde hay cruces con otros ductos ajenos a los derechos
de vía.
Figura 1. Potencial REDOX en el DDV.
Figura 2. Resistividad del suelo en el DDV.
En la Fig. 1 y Fig. 2, se presentan los resultados obtenidos de potencial
REDOX y de la resistividad de suelo respectivamente. La Fig. 1
presenta los valores de potencial REDOX en función de la distancia,
obtenidos en diferentes puntos a lo largo del trayecto de la tubería;,
se puede observar que éstos presentan una tendencia alta en los
valores de potencial REDOX, en todo el Derecho de Vía (DDV). En la
gráfica están indicadas las fronteras de clasificación de agresividad, en
función de los valores REDOX y se observa de manera general que se
encuentran en la zona de no susceptibilidad, lo que indica que son
potencialmente no susceptibles para la formación de bacterias que
propicien la corrosión microbiológica.
La Fig. 2 presenta los valores de resistividad en función de la distancia,
obtenidos en diferentes puntos a lo largo del trayecto del ducto en
el DDV. Se puede observar que los valores obtenidos, a diferencia
de los valores de potencial REDOX, no presentan una tendencia y se
encuentran dispersos a lo largo de la trayectoria. En la gráfica nuevamente
están indicadas las fronteras de clasificación de agresividad, en
función de la resistividad del suelo, presentándose la mayoría de los
valores, en los intervalos de corrosivo a muy corrosivo.
En la Fig. 3 se muestran los valores de pH a lo largo del DDV, aquí
se puede observar que las condiciones no son nada agresivas en
términos de acidez y por otra parte se encuentran en un intervalo de
neutro a ligeramente alcalino, lo que lleva a que las condiciones del
suelo en términos de pH, sean ligeramente corrosivas.
Nivel de protección catódica
Toda estructura metálica enterrada en un suelo, presenta un potencial
electroquímico en su superficie exterior. Este potencial puede ser
medido, utilizando un voltímetro con un electrodo de referencia en
una de sus puntas y la estructura en la otra. Idealmente, una medición
precisa consistiría en colocar el electrodo de referencia, lo más
cercano posible al ducto.

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Figura 3. pH de suelos en el DDV.
Un criterio aceptado (Cathodic Protection Monitoring for buried Pipelines,
1988; Measurement Techniques, 1997) para evaluar la efectividad
de un sistema de protección catódica en un ducto de acero,
consiste en medir un potencial negativo mínimo 850 mV vs. Cu/CuSO 4
con la protección catódica operando. Sin embargo, en situaciones
prácticas el ducto está enterrado y por esta razón, la medición se hace
al nivel de suelo, apoyando el electrodo de referencia contra éste y al
hacerlo, la lectura de potencial se ve afectada por la contribución del
suelo en forma de una caída óhmica, haciendo que la lectura no sea
exactamente la de la superficie del ducto. Una forma de resolver este
problema, consiste en recurrir a la medición de potencial en condición
de apagado instantáneo, que corresponde al valor de potencial,
recién se apaga la protección catódica.
Para la medición de potenciales estructura-suelo, en el presente estudio se utilizaron
un Analizador de Forma de Onda (WFA 107, McMiller) y un electrodo de cobre/sulfato
de cobre. La medición de potenciales estructura-suelo se obtuvo a partir de los postes
de medición a lo largo del DDV considerado. En este tipo de inspección, los potenciales
fueron medidos en la condición del rectificador en encendido (ON) e inmediatamente
después de desconectarlo, en condición de apagado (OFF). Esta operación se efectuó
instalando generadores de pulsos (PG-52, McMiller) que actúan como interruptores de
2 vías, asociados a cada rectificador en cuestión. La capacidad máxima del interruptor
es de 100 A. El intervalo de apagado es de 0.5 segundos, para evitar la despolarización
excesiva del ducto, por 3.5 segundos en encendido.
Para aquellas secciones en puntos intermedios entre dos rectificadores o más, se toma
en cuenta la influencia de ambos al realizar las mediciones con el analizador de forma de
señales. Este dispositivo toma 4,000 datos en un intervalo de 4 segundos y mediante un
algoritmo interno, identifica las interrupciones de los generadores de pulsos y remueve
las caídas óhmicas asociadas a cada rectificador.
En este contexto se considerarán los términos de
la tabla 1, para definir el nivel de protección de
acuerdo al potencial estructura-suelo (Cathodic
Protection Theory and Practice, 1982; Genescá, et
al., 1990).
La Fig. 4 muestra los potenciales estructura-suelo
promedio del ducto en el DDV. Los valores obtenidos
de potencial encendido-apagado se encuentran
en la zona de sobreprotección, en los puntos
de drenaje de los rectificadores A y B. La cercanía
entre los potenciales en encendido y apagado tiene
explicación en la relativamente baja resistividad del
suelo.
El ducto presenta protección insuficiente en los
intervalos de los kilómetros 0+000 a 3+000 y 8+000
a 12+000.
Después de la inspección del potencial tubo/suelo,
la protección catódica fue insuficiente en algunas
zonas. El primer equipo a revisar fue la unidad de
protección, chocando la salida de corriente del
rectificador, bajo los siguientes criterios:
Tabla 1. Clasificación de niveles de protección catódica basados en la
Norma Mexicana.
Término
Intervalo
de potencial
Descripción
Corrosión Libre > –750 mV La pared del ducto sufre corrosión
de acuerdo a la agresividad
del suelo con el que está en
contacto. No hay protección
catódica.
Protección –750 a Aun cuando recibe corriente
Parcial –850 mV de la protección catódica, el
ducto no alcanza a ser protegido
por entero.
Protección Total –850 a El metal está protegido catódi-
–950 mV camente contra la corrosión.
Sobreprotección –950 a El ducto no sufre corrosión,
Pequeña –1050 mV pero puede sufrir daño leve en
el recubrimiento.
Sobreprotección < –1050 mV
El ducto no sufre corrosión,
pero puede sufrir fragilización
por hidrógeno y desprendimiento
del recubrimiento.

Artículos técnicos
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Figura 4. Potenciales estructura-suelo promedio On – Off del ducto en el
DDV.
1. Si la corriente de salida es normal, el problema puede estar en el
ducto; si la corriente es alta y está acompañada por bajo voltaje,
con seguridad el problema está en el ducto y es causado por un
incremento en la demanda de corriente o un corto circuito en una
estructura metálica adyacente.
2. Si la corriente es baja con voltaje normal o alto, el problema está
en la cama anódica o en los cables de conexión.
3. Si el rectificador y la cama anódica parecen funcionar correctamente,
entonces la fuente de bajo potencial debe ser el ducto y
puede deberse al incremento en la demanda total de corriente,
debido probablemente al deterioro del recubrimiento.
De acuerdo con lo anterior y a la luz de los resultados obtenidos, se
puede afirmar que las resistencias del circuito en los tres rectificadores
bajo estudio son bajas, es decir, los rectificadores se encuentran
operando adecuadamente.
Inspección con DCVG
La técnica de inspección de Gradiente de Voltaje DC (DCVG) se utiliza para localizar los
defectos del recubrimiento en una tubería enterrada, los cuales son sitios potenciales de
corrosión de la tubería. El equipo detecta el gradiente de voltaje generado en el suelo,
debido al paso de la corriente de protección catódica a través del suelo resistivo, hacia el
acero expuesto en un defecto del recubrimiento. El gradiente de voltaje es más grande
y más concentrado, a medida que sea mayor el flujo de corriente, el cual es, además de
otras cosas, función del “tamaño eléctrico” del defecto.
En la práctica, la protección catódica se pulsa de una forma especial, para que la señal
de DC bajo estudio se pueda separar de otras fuentes de DC que influyan, por ejemplo,
corriente, telúricos (efectos de los campos magnéticos de la tierra), otros sistemas de
protección catódica, corrientes en líneas de distribución, etc. El intervalo de interrupción
asimétrico de 0.45 s encendido (On) y 0.8 s apagado (Off), proporciona una señal que
facilita la localización del epicentro de los defectos. Esto permite, además, determinar la
dirección del flujo de la corriente desde y hacia el defecto del recubrimiento, para que se
pueda valorar el estatus de la corrosión de dicho defecto. Si la corriente neta fluye hacia
el ducto, entonces el defecto está protegido catódicamente y su estatus de la corrosión
se define como catódico, indicado por la letra C. Si la corriente neta fluye fuera del ducto,
entonces el defecto se está corroyendo activamente y el estatus de la corrosión se define
como anódico, indicado por la letra A. Cuando no fluye corriente, el defecto se clasifica
como neutro, indicado por la letra N.
El estatus de la corrosión de un defecto se determina normalmente en ambas condiciones,
con el sistema de protección catódica operacional (encendido) y además con el
transformador/rectificador que influencia la zona apagado. Esta última medición elimina
la caída resistiva a través del suelo y determina la sensibilidad del defecto para que se
establezca la corrosión, si parte del sistema de protección catódica se vuelve inoperante.
Si el defecto está protegido en ambas condiciones de encendido y apagado, entonces
su estatus de corrosión se define como catódico/catódico (C/C). Si el defecto está
únicamente protegido en la condición de encendido, entonces el defecto es sensible
al estatus del sistema de protección catódica y su estatus de corrosión se define como
anódico/catódico (A/C). Si el defecto es anódico en ambas condiciones de encendido y
apagado del sistema de protección catódica, entonces sus estatus de corrosión se define
como anódico/anódico (A/A) y el defecto se está corroyendo activamente, aun cuando
el sistema de protección catódica esté operando con los parámetros establecidos. La
velocidad de corrosión se determina por la magnitud del flujo de la corriente neta que,
en la mayoría de los casos, es muy pequeña.

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Tabla 2. Clasificación de los defectos de acuerdo a
su severidad.
%IR Severidad
Categoría del defecto
0 – 15 Pequeño
16 – 35 Mediano
36 – 70 Mediano / Grande
71 – 100 Grande
Tabla 3. Defectos del recubrimiento en el LPG de
12” de Venta de Carpio a San Juan Ixhuatepec.
Severidad Número Porcentaje
del defecto de defectos del total (%)
Pequeña 205 68.3
Media 76 25.3
Media / Grande 18 6.0
Grande 1 0.4
Total 300 100.0
Figura 5. Distribución de la severidad de los defectos en el ducto.
Basado en excavaciones y observaciones de muchos
defectos de recubrimientos, localizados en inspecciones
de DCVG, para relacionar la naturaleza de un
defecto con una medición eléctrica, se ha desarrollado
una clasificación empírica de los defectos, la
cual se describe en la tabla 2. El tamaño eléctrico
efectivo conocido como severidad del defecto,
expresado como %IR, se calcula primero y después
se clasifica la severidad de los defectos como
pequeña, media, media/grande o grande, dependiendo
del valor del parámetro de %IR, donde 0%IR
sería un recubrimiento perfecto y 100%IR sería un
área muy grande de acero desnudo, relativamente
libre de películas superficiales expuestas en el
suelo.
De los datos registrados durante la inspección, se
puede mostrar ubicación de cada defecto, su severidad
y el estatus de la corrosión. Como se muestra
en la tabla 3, la inspección con DCVG identificó 300
defectos en los 18 km inspeccionados en el ducto
bajo estudio.
La mayoría de los defectos, 205 (68.3%), fueron
de severidad pequeña (0 – 15 %IR); 76 defectos
(25.3%) de severidad media (16 – 35 %IR); 18
defectos (6.0%) de severidad media – grande (36
– 70 %IR) y 1 defecto (0.4%) clasificado con severidad
grande (> 71 %IR). De esto se concluye que el
recubrimiento en algunas zonas identificadas con
alta densidad de defectos, > 60 defectos / km está
en malas condiciones y requiere de reparación para
alcanzar los niveles de protección catódica.
La Fig. 5 muestra la distribución de la severidad de
los defectos del recubrimiento del ducto en el DDV
(km 0+000 – km 18+000): los defectos de severidad
pequeña (0 – 15 %IR); los de severidad media (16 –
35 %IR) y los de severidad media / grande y grande
(> 35 %IR).
Figura 6. Localización de los defectos del recubrimiento en el ducto.
En la Fig. 6 se observa la localización de los defectos
del recubrimiento en ducto a lo largo del DDV.
En esta gráfica se puede observar claramente
la distribución de los defectos encontrados a lo
largo de DDV. Es importante apuntar que la mayor
densidad de defectos, se encuentran ubicados
entre el km 4+000 y 8+000, aguas abajo y arriba del
T/R A.
Para algunos defectos encontrados aguas arriba del
T/R A, se realizaron excavaciones para observar la
severidad encontrada de los defectos, corroborándose
el grado de daño encontrado en éste.

Artículos técnicos
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Figura 7. Consumo de corriente de la protección catódica por los defectos
del recubrimiento en el ducto.
En la Fig. 7 se observa hacia qué zonas se consume en mayor proporción
la corriente de protección catódica, por lo que a pesar de que
entre el kilómetro 8+000 y 9+000 se encuentran los defectos de
mayor severidad, éstos no consumen tanta corriente, en comparación
con el consumo de ésta por los defectos localizados entre el kilómetro
4+000 y 8+000.
Finalmente, el comportamiento total de la corrosión de DCVG de los
300 defectos es como sigue (tabla 4): 165 defectos (55.0%) tuvieron
comportamiento catódico/catódico, indicando que se encuentran
protegidos en todo momento, 67 defectos (22.3%) tienen un comportamiento
de la corrosión anódico/anódico, desprotegidos y 68
defectos (22.7 %) mostraron un comportamiento anódico/catódico,
protegidos (Fig. 8).
Tabla 4. Comportamiento de la corrosión de los
defectos del recubrimiento del ducto.
Comportamiento de la corrosión
Catódico/ Anódico/ Anódico/
Catódico Anódico Catódico
Defectos 165 67 68
TOTALES
% TOTAL 55.0 22.3 22.7
Figura 8. Comportamiento de la corrosión en los defectos del recubrimiento
del ducto.
De todo lo expuesto anteriormente, se observa la ubicación de las
zonas que están demandando la mayor cantidad de corriente, debido
a la presencia de defectos (Fig. 9). Por otra parte, esta alta demanda
de corriente origina la desprotección de otras zonas más alejadas a los
rectificadores, incrementando con ello la severidad de los defectos en
dichas zonas (Fig. 10).
Por lo tanto, se recomendó la reparación del recubrimiento en zonas
de alta densidad de defectos (aguas arriba y abajo del T/R A) entre
los kilómetros 4+000 y 8+000; con esto se espera un incremento en
la cobertura de protección hacia los defectos de mayor severidad
más alejados del rectificador, entre el kilómetro 8+000 y 9+000, para
alcanzar los niveles de protección catódica establecidos por la norma.
Esto se deduce, además, del comportamiento de la corrosión de los
defectos ubicados entre el kilómetro 8+000 y 9+000, de los cuales, la
mayoría son catódicos/catódicos.
Para el caso de la zona de cobertura del T/R B, se recomienda el alejamiento
de la cama de ánodos del ducto, para incrementar y optimizar
la perspectiva de la cobertura de la protección catódica y disminuir
los potenciales de sobre protección en el punto de drenaje y así evitar
posibles daños ocasionados por el exceso de protección catódica.
Conclusiones
La agresividad del terreno en los derechos de vía evaluados bajo su
resistencia eléctrica, se clasifican como corrosivos a muy corrosivos.
Figura 9. Demanda de corriente y potenciales de protección On – Off, en
los defectos del recubrimiento del ducto en el DDV.
El terreno no es susceptible de sostener corrosión bacteriana.
Por las características del terreno, un ducto con o sin insuficiente
protección catódica es susceptible de corrosión, debido a las condiciones
corrosivas derivadas del diagnóstico de la resistividad del
suelo.
Los rectificadores T/R III, T/R A y T/R B presentan eficiencias normales.
Las resistencias de circuito de los rectificadores, presentan valores
normales.
Los potenciales de protección del ducto son bajos en zonas alejadas

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Figura 10. Localización de los defectos del recubrimiento del ducto en el
DDV, relacionados a los potenciales de protección On – Off.
del área de cobertura de los rectificadores, debido a la gran densidad
de defectos en el recubrimiento del ducto en la zona alrededor del
T/R A, aproximadamente del km 4+000 al 6+000 (57 defectos/km
promedio).
Después del T/R A aproximadamente del km 6+000 al km 8+000, el
gran número de defectos fueron encontrados en dos ductos aledaños
al ducto bajo estudio. Aunque uno de los ductos se encuentra fuera
de operación, sigue interconectado eléctricamente al ducto bajo
estudio (afectando su protección adecuada debido al gran consumo
de corriente de protección, por el ducto fuera de operación aledaño
a éste) y al segundo ducto aledaño, por lo que sigue siendo parte del
sistema de protección catódica.
Debido a la cercanía con torres de transmisión de electricidad, se encontraron evidencias
de inducción de corriente alterna en todo el DDV bajo estudio, las cuales no son
críticas, de acuerdo a valores reportados en la literatura.
Referencias
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paper No. 88 (Houston, TX: NACE 1988).
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Robinson, W.C. Testing Soil Corrosiveness Materials Performance, No. 4, 1993.
Cathodic Protection Monitoring for buried Pipelines, Item No. 24169, Publication No. 54276, National
Association of Corrosion Engineers, 1988, Houston, EUA.
Measurement Techniques Related to Criteria for Cathodic Protection on Underground or Submerged
Metallic Piping Systems, NACE Standard TM0497-97, Item No. 21231, National Association of Corrosion
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Cathodic protection Theory and Practice- The Present Status, NACE & I. Corr. S.T., 28-30 Abril, Coventry,
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Genescá, J. y Ávila, J. Más Allá de la Herrumbre- Protección Catódica, SEP Conacyt, 1990.
Munger, C. G. y Robinson R.C., Mat. Performance, No. 7, Julio 1981.
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NOM-008-SECRE-1999.
Peabody A. W., Control of Pipeline Corrosion NACE, 1976, p 83.Corrosión Externa en Tuberías de Acero
Enterradas y/o Sumergidas.
Peabody, A. W., Control of Pipeline Corrosion NACE, 1976, p 83.
Miguel Ángel González Núñez
Ingeniero Metalúrgico con especialidad en Metalurgia Física por el Instituto Politécnico Nacional
en 1991. Maestría en Ciencias con especialidad en Corrosión por el Instituto de Ciencia y Tecnología
de la Universidad de Manchester (UMIST), en 1994. Doctorado en Filosofía con especialidad
en Corrosión por el Instituto de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Manchester en 1998.
Ingresó al IIE en agosto de 1991 en las áreas de Materiales y Corrosión, en las cuales ha desarrollado
su trabajo en ambientes corrosivos a alta y baja temperatura, análisis de fallas de materiales
contando con 15 años de experiencia en su área. Ente sus áreas de especialización se encuentran
la de “Corrosión, Recubrimientos y Protección Catódica” y “Metalurgia Física y Materiales”. Es
además, inspector en Ultrasonido nivel II, por ASNT, US; inspector nivel II en Líquidos Penetrantes
y Partículas Magnéticas, por ASNT, US; inspector en DCVG Nivel II, por APRT, UK e inspección de

Artículos técnicos
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recubrimientos de tubería enterrada: Cathodic Protection Tester CP1 – NACE;
Cathodic Protection Technician CP2 – NACE; Cathodic Protection Technologist
CP3 – NACE; Cathodic Protection Interference – NACE. Entre los proyectos que
ha dirigido y en los que ha participado se encuentran el curso de capacitación
en la técnica de DCVG en 2003 y 2004; evaluación, diagnóstico e ingeniería del
cambio de anclaje de los cobertizos y el anillo de cimentación del tanque de
almacenamiento TV-2002, en la Terminal Marítima Dos Bocas en 2003; evaluación
y diagnóstico de la protección catódica en el LPG ducto de 12”, en el DDV
Venta de Carpio- San Juan Ixhuatepec en 2004 e inspección por ultrasonido en
soldaduras de ductos en puntos críticos del sector Venta de Carpio, los últimos
4 años (al 2007). Ha asistido e impartido seminarios y conferencias nacionales
e internacionales y ha fungido como jurado en varios exámenes predoctorales
en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM).
magn@iie.org.mx
José María Malo Tamayo
Ingeniero en Energía egresado de la Universidad Autónoma Metropolitana
(UAM) en 1979 y Doctor en Corrosión y Protección por la Universidad de
Manchester, Inglaterra en 1986. Laboró en el Instituto Mexicano del Petróleo
de 1979 a1981 y de 1986 a 1989. Ingresó al IIE en enero de 1989, a los Departamentos
de Energías Fósiles y Fisicoquímica Aplicada y ha desarrollado su
trabajo en las áreas de Corrosión y Protección. Ha impartido seminarios y
conferencias a nivel nacional e internacional. Cuenta con 25 publicaciones
en congresos y simposios y pertenece al Sistema Nacional de Investigadores
desde 1985, Nivel 1. Ha dirigido 10 tesis de Licenciatura y 2 de Maestría.
jmmalo@iie.org.mx