Ânodo galvânico - Galvanic anode

Exemplo de ânodo galvânico no casco de um navio.

Um ânodo galvânico , ou ânodo de sacrifício , é o principal componente de um sistema de proteção catódica galvânica (CP) usado para proteger da corrosão estruturas metálicas enterradas ou submersas .

Eles são feitos de uma liga metálica com uma tensão mais "ativa" ( potencial de redução mais negativo / potencial eletroquímico mais positivo ) do que o metal da estrutura. A diferença de potencial entre os dois metais significa que o ânodo galvânico sofre corrosão, de forma que o material do ânodo é consumido preferencialmente à estrutura.

A perda (ou sacrifício) do material do ânodo dá origem ao nome alternativo de ânodo de sacrifício .

Teoria

Em resumo, a corrosão é uma reação química que ocorre por um mecanismo eletroquímico (uma reação redox ). Durante a corrosão, há duas reações, oxidação (equação 1 ), onde os elétrons deixam o metal (e resulta na perda real do metal) e redução, onde os elétrons são usados ​​para converter água ou oxigênio em hidróxidos (equações 2 e 3 ).

Fe → Fe 2+ + 2e -

 

 

 

 

( 1 )
O 2 + 2H 2 O + 4e - → 4OH -

 

 

 

 

( 2 )
2H 2 O + 2e - → H 2 + 2OH -

 

 

 

 

( 3 )

Na maioria dos ambientes, os íons hidróxido e íons ferrosos se combinam para formar hidróxido ferroso , que eventualmente se torna a conhecida ferrugem marrom:

Fe 2+ + 2OH - → Fe (OH) 2

 

 

 

 

( 4 )

À medida que a corrosão ocorre, reações de oxidação e redução ocorrem e células eletroquímicas são formadas na superfície do metal, de modo que algumas áreas se tornam anódicas (oxidação) e outras catódicas (redução). Os elétrons fluem das áreas anódicas para o eletrólito à medida que o metal é corroído. Por outro lado, à medida que os elétrons fluem do eletrólito para as áreas catódicas, a taxa de corrosão é reduzida. (O fluxo de elétrons está na direção oposta do fluxo de corrente elétrica ).

À medida que o metal continua a corroer, os potenciais locais na superfície do metal mudam e as áreas anódica e catódica mudam e se movem. Como resultado, nos metais ferrosos, uma cobertura geral de ferrugem é formada sobre toda a superfície, que acabará consumindo todo o metal. Esta é uma visão simplificada do processo de corrosão, porque pode ocorrer de várias formas diferentes.

O CP funciona introduzindo outro metal (o ânodo galvânico) com uma superfície muito mais anódica, de forma que toda a corrente flua do ânodo introduzido e o metal a ser protegido se torne catódico em comparação com o ânodo. Isso efetivamente interrompe as reações de oxidação na superfície do metal, transferindo-as para o ânodo galvânico, que será sacrificado em favor da estrutura sob proteção.

Para que isso funcione, deve haver uma via de elétrons entre o ânodo e o metal a ser protegido (por exemplo, um fio ou contato direto) e uma via de íons entre o agente oxidante (por exemplo, água ou solo úmido) e o ânodo, e o agente oxidante e o metal a ser protegido, formando assim um circuito fechado; portanto, simplesmente aparafusar uma peça de metal ativo, como o zinco, a um metal menos ativo, como o aço-carbono, no ar (um mau condutor e, portanto, nenhum circuito fechado) não fornecerá nenhuma proteção.

Materiais de ânodo

Uma barcaça de canal de viga larga de aço , mostrando um casco recém-escurecido e novos ânodos de magnésio.

Existem três metais principais usados ​​como ânodos galvânicos: magnésio , alumínio e zinco . Eles estão disponíveis como blocos, hastes, placas ou fitas extrudadas. Cada material tem vantagens e desvantagens.

O magnésio tem o eletropotencial mais negativo dos três (veja a série galvânica ) e é mais adequado para áreas onde a resistividade do eletrólito (solo ou água) é maior. Geralmente são dutos em terra e outras estruturas enterradas, embora também sejam usados ​​em barcos em água doce e em aquecedores de água. Em alguns casos, o potencial negativo do magnésio pode ser uma desvantagem: se o potencial do metal protegido se tornar muito negativo, íons de hidrogênio podem ser desenvolvidos na superfície do cátodo levando à fragilização por hidrogênio ou à separação do revestimento. Onde houver possibilidade, podem ser usados ​​ânodos de zinco.

Zinco e alumínio são geralmente usados ​​em água salgada, onde a resistividade é geralmente mais baixa. Os usos típicos são para cascos de navios e barcos, oleodutos offshore e plataformas de produção, em motores marítimos refrigerados a água salgada, em hélices e lemes de pequenos barcos e para a superfície interna de tanques de armazenamento.

O zinco é considerado um material confiável, mas não é adequado para uso em temperaturas mais altas, pois tende a passivar (o óxido formado protege contra oxidação posterior); se isso acontecer, a corrente pode parar de fluir e o ânodo para de funcionar. O zinco tem uma voltagem de acionamento relativamente baixa, o que significa que em solos de alta resistividade ou água, ele pode não ser capaz de fornecer corrente suficiente. No entanto, em algumas circunstâncias - onde há risco de fragilização por hidrogênio , por exemplo - essa tensão mais baixa é vantajosa, pois a superproteção é evitada.

Os ânodos de alumínio têm várias vantagens, como menor peso e capacidade muito maior do que o zinco. No entanto, seu comportamento eletroquímico não é considerado tão confiável quanto o zinco, e maior cuidado deve ser tomado na forma como são usados. Os ânodos de alumínio irão passivar onde a concentração de cloreto estiver abaixo de 1.446 partes por milhão .

Uma desvantagem do alumínio é que, ao atingir uma superfície enferrujada, pode ser gerada uma grande faísca de termite , portanto, seu uso é restrito em tanques onde pode haver atmosferas explosivas e há risco de queda do ânodo.

Como a operação de um ânodo galvânico depende da diferença de eletropotencial entre o ânodo e o cátodo, praticamente qualquer metal pode ser usado para proteger algum outro, desde que haja uma diferença de potencial suficiente. Por exemplo, ânodos de ferro podem ser usados ​​para proteger o cobre.

Considerações de design

O projeto de um sistema CP de ânodo galvânico deve considerar muitos fatores, incluindo o tipo de estrutura, a resistividade do eletrólito (solo ou água) em que irá operar, o tipo de revestimento e a vida útil.

O cálculo principal é quanto material do ânodo será necessário para proteger a estrutura pelo tempo necessário. Muito pouco material pode fornecer proteção por um tempo, mas precisa ser substituído regularmente. Muito material forneceria proteção a um custo desnecessário. A massa em kg é dada pela equação ( 5 ).

Massa = (corrente necessária x vida útil do projeto x 8760) ÷ (fator de utilização x capacidade do ânodo)

 

 

 

 

( 5 )
  • A vida útil do projeto é em anos (1 ano = 8760 horas).
  • O fator de utilização (UF) do ânodo é um valor constante, dependendo da forma do ânodo e de como ele está conectado, o que significa quanto do ânodo pode ser consumido antes que ele deixe de ser eficaz. Um valor de 0,8 indica que 80% do ânodo pode ser consumido, antes de ser substituído. Um ânodo de suporte longo e delgado (instalado nas pernas para manter o ânodo longe da estrutura) tem um valor de UF de 0,9, enquanto o UF de um ânodo de montagem embutida curto é de 0,8.
  • A capacidade do ânodo é uma indicação de quanto material é consumido à medida que a corrente flui ao longo do tempo. O valor do zinco na água do mar é 780 Ah / kg, mas o alumínio é 2.000 Ah / kg, o que significa que, em teoria, o alumínio pode produzir muito mais corrente por peso do que o zinco antes de ser esgotado e este é um dos fatores a considerar na escolha um determinado material.

A quantidade de corrente necessária corresponde diretamente à área de superfície do metal exposta ao solo ou à água, portanto, a aplicação de um revestimento reduz drasticamente a massa de material anódico necessária. Quanto melhor for o revestimento, menos material do ânodo será necessário.

Uma vez que a massa do material é conhecida, o tipo particular de ânodo é escolhido. Ânodos de formatos diferentes terão uma resistência diferente à terra, que governa quanta corrente pode ser produzida, portanto, a resistência do ânodo é calculada para garantir que haja corrente suficiente disponível. Se a resistência do ânodo for muito alta, ou um ânodo de formato ou tamanho diferente é escolhido ou uma quantidade maior de ânodos deve ser usada.

A disposição dos ânodos é então planejada de forma a fornecer uma distribuição uniforme da corrente por toda a estrutura. Por exemplo, se um projeto específico mostra que um duto de 10 quilômetros (6,2 mi) de comprimento precisa de 10 ânodos, então, aproximadamente um ânodo por quilômetro seria mais eficaz do que colocar todos os 10 ânodos em uma extremidade ou no centro.

Vantagens e desvantagens da proteção do ânodo galvânico

Vantagens

  • Nenhuma fonte de alimentação externa necessária.
  • Relativamente fácil de instalar.
  • Tensões e correntes mais baixas significam que o risco de causar interferência de corrente parasita em outras estruturas é baixo.
  • Requer monitoramento menos frequente do que os sistemas CP atuais impressos.
  • Risco relativamente baixo de superproteção.
  • Depois de instalados, testar os componentes do sistema é relativamente simples para pessoal treinado.

Desvantagens

  • Capacidade de corrente limitada pela massa do ânodo e autoconsumo em baixa densidade de corrente.
  • A tensão de acionamento mais baixa significa que os ânodos podem não funcionar em ambientes de alta resistividade.
  • Freqüentemente, exigem que a estrutura seja eletricamente isolada de outras estruturas e do aterramento .
  • Os ânodos são pesados ​​e aumentam a resistência à água em estruturas móveis ou interiores de tubos.
  • Onde a energia DC está disponível, a energia elétrica pode ser obtida mais barato do que por ânodos galvânicos.
  • Onde grandes matrizes são usadas, a fiação é necessária devido ao alto fluxo de corrente e a necessidade de manter baixas as perdas de resistência.
  • Os ânodos devem ser colocados com cuidado para evitar interferir com o fluxo de água para a hélice.
  • Para manter a eficácia, os ânodos devem ser inspecionados e / ou substituídos como parte da manutenção normal.

Eficácia de custos

Como os materiais do ânodo usados ​​são geralmente mais caros do que o ferro, o uso desse método para proteger as estruturas de metal ferroso pode não parecer particularmente econômico. No entanto, também devem ser considerados os custos incorridos para reparar um casco corroído ou para substituir uma tubulação ou tanque de aço, porque sua integridade estrutural foi comprometida pela corrosão.

No entanto, há um limite para a eficácia de custo de um sistema galvânico. Em estruturas maiores, ou tubulações longas, podem ser necessários tantos ânodos que seria mais econômico instalar proteção catódica de corrente impressa .

Produção de ânodos de sacrifício

O método básico é produzir ânodos de sacrifício por meio de um processo de fundição. No entanto, dois métodos de fundição podem ser distinguidos.

O processo de fundição de alta pressão para ânodos de sacrifício é muito difundido. É um processo de máquina totalmente automatizado. Para que o processo de fabricação funcione de maneira confiável e repetível, é necessária uma modificação da liga de ânodo de sacrifício processada. Alternativamente, o processo de fundição por gravidade é usado para a produção dos ânodos de sacrifício. Este processo é executado manualmente ou parcialmente automatizado. A liga não precisa ser adaptada ao processo de fabricação, mas é projetada para proteção 100% ideal contra corrosão.

Veja também

Notas

Referências

  • AW Peabody, Peabody's Control of Pipeline Corrosion, 2ª Ed., 2001, NACE International. ISBN  1-57590-092-0
  • Shreir LL et al., Corrosion Vol. 2, 3ª Ed., 1994, ISBN  0-7506-1077-8
  • Baeckmann, Schwenck & Prinz, Handbook of Cathodic Corrosion Protection, 3rd Edition 1997. ISBN  0-88415-056-9
  • Det Norske Veritas Prática Recomendada para Projeto de Proteção Catódica DNV RP-B401-2005