La protezione catodica è una tecnica elettrochimica di salvaguardia dalla corrosione di strutture metalliche esposte a un ambiente elettrolitico (terreni, acqua marina, acqua dolce, sostanze chimiche, ecc.) che può essere aggressivo nei confronti del metallo.
Utilizzi
Un'applicazione tradizionale della protezione catodica è quella per le superfici esterne di tubazioni o cisterne in acciaio interrate o immerse in acqua di mare.
Anche le superfici interne di strutture quali scaldabagni e bollitori possono essere sottoposte a protezione catodica.
Non è conveniente però applicare la protezione catodica a una struttura priva di rivestimento (es. condotta in acciaio) perché l'installazione e l'esercizio risulterebbero molto dispendiosi.
La sua applicazione diventa conveniente quando il manufatto è dotato di una protezione passiva (rivestimento dielettrico). In questo caso la protezione catodica (o protezione attiva) completa la protezione alla corrosione offerta dal rivestimento con costi limitati.
Storia
La tecnica della protezione catodica nasce ufficialmente in Inghilterra e fu inventata da sir Humphry Davy nel 1824. Tale scoperta diede l'avvio al passaggio definitivo dalle navi con scafo in legno a quelle con scafo in metallo, altrimenti impensabile.
Un secolo dopo la sua invenzione tale tecnica si afferma negli Stati Uniti e soltanto a partire dagli anni '60 in tutto il mondo.
Le prime applicazioni in Italia avvengono attorno al 1930 per la protezione delle guaine in piombo dei cavi telefonici.
Meccanismo elettrochimico Il terreno o l'acqua di mare per la loro costituzione hanno un comportamento elettrolitico.Pertanto un metallo interrato o immerso ha un comportamento analogo a quello di un elettrodo immerso in una soluzione elettrolitica (nella quale gli ioni fungono da portatori di carica elettrica).Sulla superficie di metallo in contatto con l'elettrolita, ossia all'interfase tra metallo ed elettrolita, possono esservi condizioni di sviluppo di reazioni elettrochimiche.Il processo di corrosione elettrochimica di un metallo (es. il ferro) può avvenire solo se a contatto con il metallo sono presenti ossigeno e acqua secondo la reazione: ferro + acqua + ossigeno = prodotti di corrosione Questa reazione è costituita da 4 processi parziali: Fe → Fe2+ + 2e- - processo anodico (corrente Ia) O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- - processo catodico (corrente Ic) trasporto degli elettroni nel metallo dalle regioni anodiche dove vengono resi disponibili a quelle catodiche dove sono consumati (corrente Im) trasporto di ioni nell'elettrolita (corrente Ie). questi 4 processi sono complementari cioè devono prodursi con la stessa velocità.Il valore comune di queste correnti (Icorr=Ia=Ic= Im=Ie) misura la velocità del processo globale di corrosione.La velocità di corrosione è quindi determinata dal più lento dei 4 processi parziali.Il metallo può allora comportarsi di caso in caso come anodo o come catodo (o talvolta anche avere entrambi i comportamenti in zone diverse della sua superficie nel caso della corrosione generalizzata, o nel caso della corrosione per aerazione differenziale).
Principi di funzionamento Nella protezione catodica, la struttura metallica da proteggere non dovendosi comportare da anodo viene resa più elettronegativa rispetto al potenziale di "libera corrosione" che la stessa struttura assumerebbe nell'ambiente elettrolitico in condizioni "naturali". Questo lo si ottiene inviando, in senso contrario alla corrente di corrosione Icorr, una corrente di protezione la cui intensità Ip ≥ Icorr; pertanto la corrente risultante è nulla o diretta verso il metallo. In pratica si immettono forzatamente elettroni nel metallo che si corrode che vanno a compensare quelli persi durante il processo di corrosione. Se questa condizione è verificata in tutti i punti del manufatto a contatto con l'ambiente esterno il fenomeno della corrosione si arresta poiché in queste condizioni il metallo si comporta come un catodo, perciò questo sistema di difesa si chiama protezione catodica.
Soglia di immunità
In generale un metallo si corrode perché la differenza di potenziale tra zona anodica e elettrolita (metallo - ambiente esterno), , è positiva rispetto al potenziale di equilibrio, cioè - > 0.
Un metallo diventa immune alla corrosione quando - = 0. Questo valore del potenziale è detto soglia di immunità.Al di sotto di tale valore cessano i fenomeni corrosivi, quindi riuscendo a rendere negativa questa differenza di potenziale: - < 0 il metallo, ricevendo corrente dall'ambiente esterno, ha un comportamento catodico cioè si passa nel campo di immunità del metallo.La protezione catodica è quindi completa quando il potenziale in ogni punto del manufatto ed in ogni istante, è uguale o algebricamente inferiore alla soglia di immunità. I potenziali di equilibrio sono definiti per i vari metalli rispetto a un elettrodo di riferimento nel terreno sulla verticale della struttura.
Normalmente però per avere un certo margine di sicurezza ci si riferisce non alla soglia di immunità ma a un potenziale più negativo detto potenziale di sicurezza. Secondo una convenzione comunemente accettata per l'acciaio posto sotto terra o immerso, il potenziale di sicurezza misurato con un elettrodo di riferimento di tipo Cu/CuSO4 è di norma -850 mV. In un terreno anaerobico in cui sono presenti batteri solfato-riduttori è opportuno assumere un valore ancora più basso cioè circa -950 mV.
Corrosività dell'ambiente Quando una struttura metallica è a contatto con un terreno chimicamente e strutturalmente omogeneo si può definire una corrosività (o aggressività) specifica del suolo, che viene misurata come perdita di peso del metallo o come profondità di penetrazione in un dato periodo.
La corrosività specifica di un terreno dipende dalle sue caratteristiche chimiche (pH, salinità, ecc.), fisiche (struttura geologica, dimensioni delle particelle, porosità, permeabilità all'aria, resistività elettrica, contenuto di acqua, ecc.) e biologiche (biocorrosione, presenza di batteri solfato riducenti, ecc.).
Di norma i terreni che garantiscono un maggiore tenore di ossigeno, un idoneo contenuto di acqua (non asciutti ne troppo saturi) e un idoneo contenuto di sali elettroliti risultano a più alta corrosività.
La velocità di corrosione dipende inoltre da altri fattori quali: il pH. Più acido è il terreno maggiore è l'azione corrosiva del terreno; il contenuto di cloruri e solfati i quali esplicano un effetto depassivante e danno luogo a sali con il ferro con scarse proprietà protettive.
Le caratteristiche chimiche e fisiche hanno, direttamente o indirettamente e con peso maggiore o minore, un'influenza sulla resistività elettrica del terreno per cui in prima approssimazione si può assumere la resistività come indice della sua corrosività. In base alla resistività i terreni possono essere classificati nel seguente modo: Corrosività resistività elettrica (Ωcm)trascurabile> 12.000debole12.000÷ 5.000media5.000 ÷ 2.000elevata<2.000 Hanno elevata corrosività specifica i terreni argillosi e quelli contenenti ione cloro o solforico come ad esempio i terreni impregnati di acqua di mare.
L'acqua di mare ha una resistività di 25 ÷ 30 Ω cm (dato variabile per la diversa salinità che può avere).
La resistività dei terreni varia con l'umidità e la temperatura, infatti in un terreno gelato la resistività aumenta considerevolmente.
Pertanto è opportuno accompagnare il valore della resistività con quello dell'umidità e della temperatura del terreno.
Pila geologica Quando le dimensioni della struttura sono tali da metterla in contatto con terreni di diversa natura (es. acquedotti) il manufatto è soggetto sia alla corrosività specifica di ciascun terreno che alla corrosività relativa o combinata o da pila geologica dovuta ai differenti tipi di terreno.
La corrosione del manufatto viene detto corrosione da pila geologica poiché questo si comporta come una pila dove i due elettrodi (anodo e catodo) sono le parti del manufatto metallico poste in terreni aventi caratteristiche chimiche e/o fisiche diverse, le soluzioni elettrolitiche sono i due terreni stessi e il setto poroso è la superficie di separazione dei due suoli.
Tanto più bassa è la resistività elettrica dei terreni attraversati tanto più alta è la corrente in gioco e quindi più sono intensi i fenomeni corrosivi.
Correnti disperse Alla corrosione dovuta a fenomeni elettrochimici, spesso se ne affianca un secondo dovuto alla presenza di correnti esterne ("correnti disperse o vaganti") che interessano il terreno in cui il manufatto metallico è posato.
Tali correnti sono generate da impianti elettrici con difetto di isolamento o collegati a terra per esigenze funzionali come ad esempio: impianti di trazione a corrente continua - ferrovie, tranvie, ecc. impianti industriali che utilizzano le terre come conduttori di ritorno - impianti elettrochimici, di saldatura, di trasporto, ecc. altri impianti di protezione catodica - acquedotti e metanodotti in acciaio, ecc. Le correnti vaganti disperse da impianti a corrente alternata costituiscono un pericolo di corrosione molto minore.
Quando le correnti disperse investono il manufatto, la zona di entrata si comporta come una zona catodica mentre quella di uscita come una zona anodica soggetta pertanto a corrosione.
Poiché in genere l'intensità delle correnti vaganti che investe il manufatto metallico è più intensa di quella generata dai fenomeni elettrochimici l'effetto di corrosione è molto più accentuato.
Tipologia
La protezione catodica può essere attuata principalmente secondo due approcci: sistema a corrente impressa: il metallo da proteggere è portato a un potenziale elettrico di sicurezza mediante una corrente impressa da una forza elettromotrice (f.e.m.). Il collegamento deve essere tale che il metallo si comporti da catodo mentre l'anodo è una diversa parte metallica generalmente destinata a consumarsi (anodo solubile); nella pratica la f.e.m. è generalmente fornita da un alimentatore in corrente continua adeguato allo scopo accoppiamento galvanico (o ad anodo sacrificale): il metallo da proteggere (che deve assumere la funzione di catodo) è collegato a un metallo di tipo diverso e meno elettronegativo che funga spontaneamente da anodo sacrificale (seguendo questa tecnica, il ferro da proteggere deve essere collegato con l'alluminio, lo zinco o il magnesio). L'anodo sacrificale è destinato al progressivo consumo nel tempo e può essere necessaria la sua sostituzione periodica. Un utilizzo classico è quello sullo scafo metallico delle navi.
Sistema a corrente impressa
Un sistema di protezione catodica a correnti impresse è essenzialmente composto da: Dispersore anodico Il dispersore anodico viene dimensionato in funzione della resistività del terreno con cui deve entrare in contatto col fine di ridurre la resistenza di contatto con l'ambiente.
Il dispersore viene di regola posato in un letto anodico costituito da una miscela elettrolitica denominata backfill.
Il backfill ha lo scopo di: aumentare la superficie disperdente in modo da diminuire la resistenza verso terra; ridurre/rendere uniforme il consumo del materiale anodico; rendere omogeneo l'ambiente circostante all'anodo e di conseguenza il suo consumo, evitando in tal modo consumi localizzati che possono portare alla rottura dell'anodo.
Il backfill può essere costituito da polvere di coke di petrolio calcinato o bentonite granulare sigillante, in caso di contatto con falda acquifera (la polvere di carbone verrebbe asportata dall'acqua e potrebbe creare un inquinamento della stessa se utilizzata ai fini potabili).
In fase di progettazione viene scelto anche il materiale del dispersione in base: alla corrente che dovrà erogare l'impianto; all'ambiente di posa; alla sua durata nel tempo.
Sulla scorta dell'ambiente di posa si possono utilizzare anodi in titanio attivato in acqua di mare o anodi di ferro e ferro silicio in terreni.