Ochrona katodowa

Ochrona katodowa – jedna z elektrochemicznych metod ochrony metali przed korozją elektrochemiczną, która polega na tym, że do chronionej konstrukcji dołącza się zewnętrzną anodę. Powierzchnia chronionego metalu staje się katodą – elektrodą, na której zachodzą reakcje redukcji depolaryzatora, a nie zachodzi utlenianie metalu, czyli jego korozja^[2][3][4].

Przebieg reakcji katodowych można wywołać, opcjonalnie:

• stosując zewnętrzne źródło napięcia (ochrona katodowa elektrolityczna)
• zapewniając kontakt chronionej konstrukcji z protektorem – metalem o niższym potencjale w środowisku korozji (ochrona katodowa galwaniczna, ochrona protektorowa)

Podstawy fizykochemiczne

Fizykochemiczne podstawy metod elektrochemicznej ochrony metali przed korozją formułuje:

• termodynamika reakcji, zachodzących w układach metale–środowisko
• kinetyka procesów elektrochemicznych, zachodzących w zamkniętym obwodzie elektrycznym

Graficzną ilustracją równowag termodynamicznych są np. wykresy Pourbaix, sporządzane w układzie współrzędnych potencjał–pH. Na tych wykresach jest określane położenie obszarów termodynamicznej trwałości^[7][8]:

• metalu (obszar odporności na korozję)
• stałych produktów utlenienia (obszar potencjalnej pasywacji)
• jonów w roztworze wodnym (korozja)

Metal, którego stan określa punkt leżący w obszarze korozji, można ochraniać zmieniając jego potencjał elektryczny i kwasowość środowiska.

Różnica między potencjałem elektrody w stanie równowagi i potencjałem w zamkniętym ogniwie galwanicznym jest nazywana nadnapięciem lub nadpotencjałem. W pracującym ogniwie (układ oddalony od stanu równowagi) elektrody ulegają polaryzacji – potencjał katody zmniejsza się, a potencjał anody wzrasta, tym bardziej im większa jest gęstość prądu, związana z szybkością odpowiednich reakcji elektrodowych (nadnapięcie aktywacyjne) oraz z szybkością dyfuzji substratów i produktów tych reakcji (polaryzacja stężeniowa). Ustala się stan równowagi dynamicznej. Zależności potencjałów elektrod od gęstości prądu są przedstawiane na wykresach Evansa^[7][8].

Natężenie prądu, płynącego w nie zasilanym z zewnątrz obwodzie ochronnym (ochrona galwaniczna), jest proporcjonalne do szybkości roztwarzania się protektora. Efektywność uzyskiwania prądu ochronnego zależy od rodzaju użytego materiału (sprawność protektora). Jeżeli obwód jest zasilany z zewnątrz, np. z prostownika (ochrona elektrolityczna), informacje o potencjałach równowagowych i mechanizmach polaryzacji pozwalają ustalać, jakie wartości gęstości prądu ochronnego gwarantują przesunięcie potencjału chronionej konstrukcji poza obszar korozji. W czasie obliczeń wykorzystuje się wyniki badań rezystancji (R) środowiska, w którym znajduje się konstrukcja i anody ochronne (np. grunt, woda morska, woda słodka)^[1][3][4][9].

Ochrona katodowa elektrolityczna

Materiały i urządzenia

W układach ochrony katodowej elektrolitycznej, są używane trwałe anody ochronne („uziomy”), połączone przewodami elektrycznymi z dodatnim biegunem prostownika. Chroniona konstrukcja jest łączona z biegunem ujemnym. Obwód elektryczny zamyka elektrolit (np. roztwory glebowe). Do ochrony metalowych instalacji w gruncie są stosowane prostowniki o napięciu wyjściowym 50 V, a w wodzie morskiej – 24 V^[10].

Anody ochronne są wykonywane z takich materiałów, jak^[1]:

• stopy żelaza z krzemem (zobacz: żelazokrzem, dodatek stopowy)
• grafit
• platynowany lub pokrywany tlenkami metali tytan lub tantal
• kable miedziane w izolacji z przewodzących polimerów
• stal (np. odcinki rur)

Elektrody są umieszczane w zasypce z koksiku węglowego lub ponaftowego, co zwiększa ich trwałość i zmniejsza własną rezystancję.

Poza elektrycznym obwodem prądowym (polaryzującym) stosuje się obwód kontrolny („potencjałowy”). W jego skład wchodzi elektroda odniesienia (np. Cu/CuSO₄ nas.) i miliwoltomierz, włączony w system operacyjnego monitorowania wartości potencjałów na powierzchni chronionej konstrukcji. Poza pomiarami napięcia wykonuje się pomiary korozymetryczne. Polegają one na określaniu przyrostu rezystantywności próbki metalu, która jest umieszczona w środowisku korozji (np. ziemi)^[10].

Zastosowania

Ochrona katodowa elektrolityczna jest stosowana powszechnie, np. do ochrony:

• rurociągów w wodzie morskiej lub gruncie
• zbiorników zakopywanych w gruncie lub zasypywanych (np. zbiorników paliw, odizolowanych od instalacji naziemnych)
• zbrojenia żelbetu^[11]

Podstawowa ochrona rurociągów polega na stosowaniu powłok ochronnych, metalicznych, nieorganicznych lub organicznych, jedno– lub wielowarstwowych. Stosuje się powłoki o dużej rezystywności (≥10¹² Ωm) i dużej wytrzymałości na przebicie prądem o wysokim napięciu (≥10 kV/mm). Nakładanie i konserwacja szczelnych i trwałych warstw to działania trudne i kosztowne. Stosowanie powłok o niższej jakości, wspomaganych elektrochemicznie – prądem polaryzacji katodowej – jest często bardziej uzasadnione ekonomicznie^[1].

Ochrona katodowa galwaniczna

W przypadku galwanicznej ochrony katodowej, są używane wymienne kształtki, wykonane z materiału o niskim potencjale, montowane bezpośrednio na chronionej konstrukcji. W otoczeniu styku na powierzchni chronionej zachodzą reakcje katodowe, np. redukcja tlenu. Chroniony metal nie koroduje dzięki korozji protektora.

Materiały i urządzenia

Anody galwaniczne muszą się charakteryzować wystarczająco niskim potencjałem i brakiem tendencji do polaryzacji (małe zmiany potencjału w czasie pracy, np. wskutek osadzania się tlenków). Stosuje się np. anody magnezowe, cynkowe, aluminiowe. Do czystych metali są wprowadzane dodatki stopowe, zmniejszające skłonność do pasywacji i szybkość korozji własnej oraz zwiększające równomierność roztwarzania. Do magnezu dodawany jest np. mangan, co obniża potencjał elektrody^[1]. Protektory^[4]:

• magnezowe (powszechnie stosowane w gruncie^[1]) zawierają dodatki 5-7% Al, 2-4% Zn, min. 0,15% Mn; mają niski potencjał, lecz ich sprawność jest niewielka (ok. 55%)^[1]
• cynkowe (najczęściej stosowane w wodzie morskiej), to czysty 99,99% lub stop zawierający<0,1-0,15% Hg, 0,12-0,15% Al, 0,05-0,1% Cd; są tańsze od magnezowych, należą do grupy protektorów niskopotencjałowych o wysokiej skuteczności (90%)
• aluminiowe, są stosowane tylko w postaci stopów z Zn (do 6%), Sn (0,1-1%) oraz In, Hg, Sn; są protektorami niskopotencjałowymi o sprawności 80%

Do ochrony instalacji ze stopów miedzi stosuje się protektory ze stali węglowej^[4].

Potencjały korozyjne anod magnezowych wynoszą ok. 1,5 do -1,7 V względem elektrody odniesienia Cu/nasyc. CuSO₄. W obwodzie ochronnym osiągane jest napięcie 0,6–0,8 V. Anody są umieszczane w gruncie w workach, zawierających aktywator, czyli mieszaninę bentonitu (20% obj.), gipsu (75%) i siarczanu sodu (5%). Bentonit z siarczanem sodu są wprowadzane w celu utrzymania właściwej wilgotności i rezystancji otoczenia anody, gips poprawia równomierność roztwarzania. Ochrona galwaniczna wymaga odizolowania chronionej konstrukcji od wszystkich instalacji uziemionych. Jest to niemal niewykonalne w sytuacji baz paliw, w których wszystkie urządzenia są zwykle połączone systemem instalacji odgromowej i nie izolowanymi rurociągami^[1].

Zastosowania

Ocena możliwości zastosowania ochrony galwanicznej jest trudna - wymaga rozpatrzenia wielu informacji na temat konstrukcji instalacji oraz cech środowiska pracy (np. rezystancja i jej zmienność; wilgotność i pH gruntu, zasolenie wody, obecność prądów błądzących i instalacji odgromowych)^[1][4][10].

W odniesieniu do instalacji eksploatowanych w gruncie metoda jest stosowana, gdy mają one niewielkie wymiary (np. zbiorniki paliw w gruncie lub w kopcach ziemnych), są dobrze izolowane i znajdują się w środowisku o małej rezystancji. Znaczenie wymienionych ograniczeń maleje w miarę wzrostu jakości stosowanych powłok ochronnych (powłoki dobrze izolujące i trwałe umożliwiają stosowanie mniejszych wartości prądu ochronnego. Nawet w gruncie o wysokiej rezystantywności 100-200 Ωm niezbędną gęstość prądu ochronnego można osiągnąć przy użyciu niewielu anod galwanicznych^[1].

Anody galwaniczne nie nadają się, ze względu na duże zapotrzebowanie prądu, do ochrony dużych instalacji, które^[1]:

• są niewystarczająco izolowane od otoczenia
• kontaktują z gruntem o różnych właściwościach
• są połączone instalacją odgromową naziemnych części konstrukcji

na przykład do ochrony orurowania otworów wiertniczych lub dużych zbiorników paliwowych (>500m³) o osi pionowej, które zwykle nie są izolowane, a są połączone z siecią odgromową i siecią nie izolowanych rurociągów^[1].

Rurociągi i zbiorniki o osi poziomej i niewielkiej pojemności (do 50m³ dla paliw płynnych i do kilku m³ dla gazu płynnego) mogą być ochraniane galwanicznie, jeżeli^[1]:

• nie są połączone z siecią uziemiającą (bezpośrednio ani pośrednio)
• są pokryte powłokami o wystarczającej rezystancji (rząd 10⁴ Ωm²)

Zakres zastosowań jest rozszerzony na nowo projektowane zbiorniki podziemne i zakopcowane o większych pojemnościach (do kilkuset m³), ponieważ w ich projektach przewiduje się stosowanie powłok o zwiększonej trwałości i rezystantywności oraz gwarantowanych zabezpieczeń przed kontaktem z sąsiednimi instalacjami uziemionymi^[1].

Zobacz też

• Ochrona anodowa
• równanie Tafela
• równanie Butlera-Volmera

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Bob Cottis. The electronic journal for all aspects of corrosion. „The Journal of Corrosion Science and Engineering”. Linki do artykułów dot. różnych aspektów korozji. ISSN 1466-8858. [dostęp 2011-05-12]. (ang.). brak numeru strony
• G. K. Glass, A. M. Hassanein. Surprisingly Effective Cathodic Protection. „The Journal of Corrosion Science and Engineering”. 4 (7), 3rd November 2003. ISSN 1466-8858. (ang.). brak numeru strony