All’avanguardia nel controllo della corrosione

PROTEZIONE CATODICA OFFSHORE 101:
COS’È E COME FUNZIONA?

Richard Baxter, Jim Britton

In che modo l’acciaio si corrode nell’acqua marina?

Per comprendere la protezione catodica, occorre innanzitutto comprendere il meccanismo della corrosione. La corrosione si verifica quando sono presenti tre condizioni.

1. Due metalli dissimili
2. Un elettrolito (acqua con qualsiasi tipo di sale o sali dissolti nell’acqua stessa)
3. Un percorso (conduttivo) metallico tra i due metalli dissimili

I due metalli dissimili possono essere leghe totalmente diverse, ad esempio acciaio e alluminio, ma si tratta più spesso di differenze metallurgiche microscopiche o macroscopiche sulla superficie di un singolo pezzo di acciaio.

Se sono presenti le suddette condizioni, sulla superficie del metallo più attivo (in questo caso, noi prenderemo in esame la libera corrosione dell’acciaio, che non è uniforme), si verifica la seguente reazione nei punti più attivi (2 ioni ferro più 4 elettroni liberi):

2Fe => 2Fe⁺⁺ + 4e^-

Gli elettroni liberi si spostano lungo il percorso metallico verso i punti meno attivi, dove si verifica la seguente reazione (Gas ossigeno convertito in ione ossigeno – a causa della combinazione con i quattro elettroni liberi – che si combina con l’acqua per formare gli ioni idrossili):

O₂ + 4e^- + 2H₂0 => 4 OH^-

Le ricombinazioni di tali ioni sulla superficie attiva producono la seguente reazione, che cede l’idrossido ferroso del prodotto della corrosione del ferro (Combinazione del ferro con ossigeno e acqua per formare l’idrossido ferroso).

2Fe + O₂ + 2H₂O => 2Fe (OH)₂

Tale reazione è spiegata più comunemente come flusso corrente attraverso l’acqua dall’anodo (punto più attivo) al catodo (punto meno attivo).

In che modo la protezione catodica arresta la corrosione?

La protezione catodica impedisce la corrosione convertendo tutti i punti anodici (attivi) sulla superficie metallica in punti catodici (passivi), erogando corrente elettrica (o elettroni liberi) da una fonte alternativa.

Di solito, assume la forma di anodi galvanici, che sono più attivi dell’acciaio. Tale prassi viene anche denominata sistema sacrificale, in quanto gli anodi galvanici si sacrificano per proteggere l’acciaio strutturale o la tubatura dalla corrosione. Nel caso di anodi di alluminio, la reazione alla superficie di alluminio è (4 ioni di alluminio più 12 elettroni liberi):

4Al => 4AL⁺⁺⁺ + 12 e^-

e alla superficie d’acciaio (Gas ossigeno convertito in ioni ossigeno che si uniscono all’acqua per formare ioni idrossili):

3O₂ + 12e^- + 6H₂0 => 12OH^-

Finché la corrente (elettroni liberi) arriva al catodo (acciaio) più rapidamente di quanto arrivi l’ossigeno, non si forma alcuna corrosione.

Considerazione fondamentali nella progettazione di sistemi ad anodi sacrificali

La corrente elettrica che un anodo scarica rientra nell’ambito della Legge di Ohm, vale a dire:

I=V/R

Dove:
I= flusso di corrente espresso in ampere
V= Differenza di potenziale tra anodo e catodo espressa in volt
R= Resistenza totale del circuito espressa in ohm

Inizialmente la corrente sarà elevata, perché la differenza di potenziale tra anodo e catodo risulta alta, ma mentre la differenza di potenziale si riduce per effetto del flusso di corrente sul catodo, la corrente diminuisce gradualmente a causa della polarizzazione del catodo.

La resistenza del circuito include sia il percorso d’acqua che il percorso metallico, compreso qualsiasi cavo del circuito. In questo caso, il valore dominante è la resistenza dell’anodo nell’acqua di mare.

Per la maggior parte delle applicazioni, la resistenza del metallo è talmente ridotta, rispetto alla resistenza dell’acqua, da poter essere ignorata (non valido per slitte o tubature lunghe protette da entrambe le estremità).

In generale, gli anodi lunghi e sottili dimostrano una resistenza minore rispetto agli anodi corti e grossi. Infatti scaricano una maggiore quantità di corrente, ma non durano altrettanto a lungo.

Pertanto, un progettista di protezioni catodiche deve dimensionare gli anodi in modo che abbiano la forma e l’area superficiale esatte per scaricare abbastanza corrente a protezione della struttura, nonché peso sufficiente da durare per il periodo di vita utile desiderato quando si scarica tale corrente.

Come regola generale: La lunghezza dell’anodo determina la quantità di corrente che l’anodo può produrre e, di conseguenza, la quantità di piedi quadrati di acciaio che possono essere protetti. La sezione trasversale (Peso) determina la durata del periodo in cui l’anodo può sostenere questo livello di protezione.

Sistemi di protezione catodica a corrente impressa

A causa delle elevate correnti previste in molti sistemi in acqua marina, non è infrequente utilizzare sistemi a corrente impressa. I sistemi a corrente impressa utilizzano anodi di un tipo che non si dissolve facilmente in ioni metallici, ma che sostiene invece una reazione alternativa, l’ossidazione degli ioni cloruro dissolti.

2Cl^- => Cl₂ + 2e^-

L’energia viene fornita da un gruppo elettrogeno c.c. esterno.

Come possiamo sapere se disponiamo di una sufficiente protezione catodica?

Sappiamo di disporre o meno di corrente sufficiente misurando il potenziale dell’acciaio rispetto a un elettrodo standard di riferimento, di solito argento / cloruro d’argento (Ag/AgCl sw.), ma a volte zinco (Zn sw.). Il flusso di corrente su qualsiasi metallo cambia in negativo il suo potenziale normale.

La storia ha dimostrato che se l’acciaio riceve corrente sufficiente per trasformare il potenziale in (-) 0,800 V rispetto ad argento / cloruro d’argento, la corrosione viene essenzialmente arrestata.

A causa della natura delle pellicole che si formano, il potenziale minimo (-0,800 V) risulta raramente il potenziale ottimale e i progettisti cercano di ottenere un potenziale compreso tra (-) 0,950 V e (-) 1,000 V rispetto a Ag/AgCl sw.