miniaturadaimagem|Ânodos de sacrifício de alumínio (barras retangulares de cor clara) montados sobre uma estrutura de camisas de aço A Proteção Catódica é uma técnica usada para controlar a corrosão de uma superfície metálica, tornando-a o cátodo de uma célula eletroquímica.A.W. Peabody, Peabody's Control of Pipeline Corrosion, 2nd Ed., 2001, NACE International. ISBN 1-57590-092-0 Um método simples de proteção conecta o metal a ser protegido a um "metal de sacrifício" mais facilmente corrosível para atuar como o ânodo. O metal de sacrifício então é corroído no lugar do metal a ser protegido. Para estruturas como tubulações longas, onde a proteção catódica galvânica passiva não é adequada, uma fonte de energia elétrica de CC externa é utilizada para fornecer corrente suficiente.
Os sistemas de proteção catódica protegem uma ampla gama de estruturas metálicas em vários ambientes. As aplicações comuns são: tubulações de aço para água ou combustível e tanques de aço, como aquecedores de água domésticos; pilares de cais de aço; cascos de navios e barcos; plataformas de petróleo offshore e camisas metálicas de poços de petróleo terrestre; fundações eólicas offshore e barras de reforço metálico em edifícios e estruturas de concreto. Outra aplicação comum é em aço galvanizado, em que um revestimento sacrificial de zinco em peças de aço protege-os da ferrugem.
A proteção catódica pode, em alguns casos, evitar a fadiga de corrosão por esforço. miniaturadaimagem|Ânodo de sacrifício em zinco (objeto arredondado) aparafusado na parte inferior do casco de um pequeno barco.
História A proteção catódica foi descrita primeiramente por Sir Humphry Davy em uma série dos papéis apresentados à sociedade realDavy, H., Phil. Trans. Roy. Soc., 114,151,242 and 328 (1824) em Londres em 1824. A primeira aplicação foi ao HMS SamarangAshworth V., Corrosion Vol. 2, 3rd Ed., 1994, ISBN 0-7506-1077-8 em 1824. Os ânodos de sacrifício feitos de ferro ligados ao casco de cobre colocados abaixo da linha d'água reduziram dramaticamente a taxa de corrosão do cobre. No entanto, um efeito colateral da proteção catódica foi aumentar o crescimento marinho. O cobre, quando em processo de corrosão, liberta íons de cobre que têm um efeito anti-incrustante. Como o excesso de crescimento marinho afetou o desempenho do navio, a Marinha Real decidiu que era melhor permitir que o cobre corroesse e tivesse o benefício de redução do crescimento marinho, de modo que a proteção catódica não mais foi utilizada.
Davy foi ajudado em seus experimentos por seu pupilo Michael Faraday, que continuou sua pesquisa após a morte de Davy. Em 1834, Faraday descobriu a ligação quantitativa entre a perda de peso da corrosão e a corrente elétrica e desse modo lançou os fundamentos para a aplicação futura da proteção catódica.Baeckmann, Schwenck & Prinz, Handbook of Cathodic Corrosion Protection, 3rd Edition 1997. ISBN 0-88415-056-9
Thomas Edison experimentou com a proteção catódica com corrente impressa em navios em 1890, mas foi mal sucedido devido à falta de uma fonte de corrente apropriada e de materiais de ânodo. Levaria 100 anos após a experiência de Davy para que a proteção catódica fosse amplamente utilizada em oleodutos nos Estados UnidosScherer, L. F., Oil and Gas Journal, (1939) - proteção catódica foi aplicada a gasodutos de aço a partir de 1928 Robert J. Kuhn, Cathodic Protection of Underground Pipe Lines from Soil Corrosion, API Proceedings, Nov. 1933, Vol. 14, p157 e mais amplamente na década de 1930.Natural Resources Canada Retrieved 23 JAN 2012() Archived January 6, 2013, at the Wayback Machine
Tipos
Galvânica miniaturadaimagem|Ânodo de sacrifício galvânico ligado ao casco de um navio, apresentando corrosão Na aplicação de proteção catódica passiva, um ânodo galvânico, um pedaço de um metal mais eletroquimicamente "ativo", é ligado à superfície de metal vulnerável aonde este está exposto a um eletrólito. Os ânodos galvânicos são selecionados porque têm uma tensão mais "ativa" (potencial de eletrodo mais negativo) do que o metal da estrutura alvo (tipicamente aço). Para uma proteção catódica eficaz, o potencial da superfície de aço é polarizado (alterado) mais negativamente até que a superfície tenha um potencial uniforme. Nesta fase, a força motriz para a reação de corrosão na superfície protegida é removida. O ânodo galvânico continua a ser corroído, tendo o seu material consumido até que eventualmente ele deva ser substituído. Existem estudos e estimativas para o grau de perda de material em peso de acordo com a corrente fornecida e o material usado no ânodo.
A polarização da estrutura alvo é causada pelo fluxo de elétrons fluindo do ânodo para o cátodo, portanto os dois metais devem ter um bom contato elétrico. A força motriz para a corrente de proteção catódica é a diferença no potencial do eletrodo entre o ânodo e o cátodo. Roberge, Pierre R, Handbook of Corrosion Engineering 1999 ISBN 0-07-076516-2
Os ânodos galvânicos ou de sacrifício são feitos em várias formas e tamanhos usando ligas de zinco, magnésio e alumínio. ASTM International publica normas sobre a composição e fabricação de ânodos galvânicos. ASTM B843 - 07 ASTM B418 - 09
Para que a proteção catódica galvânica funcione, o ânodo deve possuir um potencial de eletrodo inferior (isto é, mais negativo) do que o do cátodo (a estrutura alvo a proteger). A tabela abaixo mostra uma série galvânica simplificada que é usada para selecionar o metal anódico. Peabody pág. 304 (referência 1) O ânodo deve ser escolhido a partir de um material que seja mais negativo na lista do que o material a ser protegido. MetalPotencial em relação a eletrodo de referência Cu:CuSO4 em ambiente de pH neutro (Volts)Carbono, Grafite, Coque +0.3Platina0 a -0.1Carepa em Aço -0.2Ferro Fundido (alto conteúdo de silício) -0.2Cobre, latão, bronze -0.2Aço macio em concreto -0.2Chumbo -0.5Ferro fundido (não grafitado) -0.5Aço macio (corroído) -0.2 a -0.5Aço macio (limpo) -0.5 a -0.8Alumínio comercial puro -0.8Liga de Alumínio (5% zinco) -1.05Zinco -1.1Liga de Magnésio (6% Al, 3% Zn, 0.15% Mn) -1.6Magnésio comercial puro -1.75
Sistemas de Corrente Impressa miniaturadaimagem|Sistema simples de proteção catódica de corrente impressa. Uma fonte de corrente elétrica DC é usada para ajudar a conduzir a reação eletroquímica de proteção. Para estruturas maiores, ou onde a resistividade do eletrólito é alta, os ânodos galvânicos não podem fornecer economicamente corrente suficiente para proteção completa. Nestes casos, são utilizados sistemas de proteção catódica por corrente impressa (Impressed Current Corrosion Protection - ICCP). Estes consistem em ânodos ligados a uma fonte de alimentação CC, muitas vezes um transformador-retificador conectado à alimentação CA. Na ausência de alimentação CA, podem ser utilizadas fontes de energia alternativas, tais como painéis solares, energia eólica ou geradores termoelétricos a gás.
Os ânodos para estes sistemas estão disponíveis em uma variedade de formas e tamanhos. Ânodos comuns possuem formato de haste tubular e sólida ou fitas contínuas de vários materiais. Estes incluem ferro fundido de alto teor de silício, grafite, óxido de mistura de metais, fios cobertos de platina e nióbio e outros materiais.
Para tubulações, os ânodos são dispostos em leitos distribuídos ou em um furo vertical profundo, dependendo de vários fatores de projeto e condições de campo, incluindo os requisitos de distribuição de corrente elétrica.
As unidades de transformador-retificador de proteção catódica são muitas vezes fabricadas sob encomenda e equipadas com uma variedade de recursos, incluindo monitoramento e controle remoto, interruptores de corrente integral e montados em vários tipos de gabinetes elétricos. O terminal negativo de saída CC é conectado à estrutura a ser protegida pelo sistema de proteção catódica. Peabody pág. 158 (referência 1) O terminal positivo de CC da saída do retificador é conectado aos ânodos. O cabo de alimentação CA está conectado aos terminais de entrada do retificador.
A saída do sistema de corrente impressa deve ser otimizada para fornecer corrente suficiente para fornecer proteção à estrutura alvo. Algumas unidades de transformador-retificador de proteção catódica são projetadas com diversas saídas (também chamadas de taps) nos enrolamentos do transformador e terminais de conexão (comumente chamados de jumpers) para selecionar a saída de tensão do sistema. As unidades transformadoras-retificadoras de proteção catódica para tanques de água e usadas em outras aplicações são feitas com circuitos de estado sólido para ajustar automaticamente a tensão de operação para manter a saída de corrente ótima ou potencial de estrutura para eletrólito.Baeckmann, Schwenck & Prinz, pág 233 (referência 4) O modo mais comum para variação de tensão é utilizar transformador CA variável acionável manualmente ou motorizado, de forma a variar a tensão de saída de 0 a 100% em relação a um valor apropriado dimensionado para a aplicação. Medidores analógicos ou digitais são freqüentemente instalados para mostrar a tensão de operação (DC e AC) e a saída de corrente. Para estruturas em terra e outras estruturas alvo complexas e de grandes dimensões, o sistema de corrente impressa é muitas vezes concebido com múltiplas zonas independentes de ânodos com circuitos de transformador-retificador de proteção catódica separados.
Aplicações
Tubulações miniaturadaimagem|Um Transformador-Retificador de proteção catódica refrigerado a ar conectado a uma tubulação. Os dutos de produtos perigosos e inflamáveis são rotineiramente protegidos por um revestimento externo (coating) suplementado com proteção catódica. Um sistema de proteção catódica de corrente impressa para uma tubulação consiste em uma fonte de energia de CC, muitas vezes um transformador-retificador de CA e um ânodo, ou conjunto de ânodos enterrados no solo (o leito de ânodos).
A fonte de energia de CC normalmente tem uma saída de CC de até 50 Amperes e 50 Volts, mas isso depende de vários fatores, como o comprimento da tubulação, o diâmetro da mesma e a qualidade e o tipo do revestimento aplicado. O terminal de saída CC positivo seria ligado através de cabos ao conjunto de ânodos, enquanto outro cabo ligaria o terminal negativo do retificador à tubulação, de preferência através de caixas de junção para permitir que as medições de comissionamento e de monitoramento programado sejam realizadas.Peabody pág. 22 (referência 1)
Os ânodos podem ser instalados em um leito que consiste em um furo vertical preenchido com o coque condutor (ou um outro material que melhore o desempenho e a vida dos ânodos ao promover maior capacidade de transmitir corrente ao aumentar a área efetiva e diminuir a resistência elétrica destes em relação ao solo) ou colocado em uma trincheira preparada, cercada e preenchida pelo coque condutor. A escolha do tipo e do tamanho do leito dependem da aplicação, da posição e da resistividade do solo. Peabody pág. 132 (referência 1)
A corrente de proteção catódica CC é então ajustada para o nível ótimo depois de realizar vários testes incluindo medições de potenciais entre tubulação e solo ou potencial de eletrodo.
Às vezes é mais economicamente viável proteger uma tubulação usando ânodos galvânicos (de sacrifício). Este é frequentemente o caso em tubulações de menor diâmetro de comprimento limitado. Peabody pág. 32 (referência 1) Os ânodos galvânicos dependem dos potenciais da série galvânica dos metais para conduzir a corrente de proteção catódica do ânodo para a estrutura a ser protegida (cátodo).
Dutos de água de vários materiais também são fornecidos com proteção catódica, quando os proprietários determinam o custo ser razoável para a expectativa de extensão de vida de serviço do sistema atribuído à aplicação de proteção catódica.
Barcos e Navios miniaturadaimagem|As peças brancas visíveis no casco do navio são ânodos de sacrifício de blocos de zinco.