Proteção Catódica

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Proteção catódica
A proteção catódica é um dos métodos mais empregados para a proteção de
grandes estruturas quer seja enterradas ou submersas (parcial ou totalmente). Assim,
tubulações e tanques de estocagem de gás e combustíveis diversos, plataformas de
petróleo, navios, píeres e mesmo edifícios de concreto armado, mais e mais são
protegidos por este método.
O princípio da proteção catódica se baseia em levar o potencial de corrosão do
equipamento a proteger para valores correspondentes à imunidade do material.
Pode-se optar por um dos seguintes métodos para atingir este objetivo:
- Proteção por ânodos de sacrifício- Proteção por corrente impressa .
Proteção por ânodo de sacrifício
Na proteção por ânodos de sacrifício, o potencial adequado é alcançada devido ao
contato elétrico entre o metal a proteger e um outro metal de potencial de corrosão
inferior no meio onde estarão colocados. Os metais mais comuns para constituírem os
chamados ânodos de sacrifício são: zinco, ligas de magnésio e ligas de alumínio
ÂNODO DE SACRIFÍCIO
eZn
Mg
Al
tubulação
ânodo de sacrifício
(a)
CORRENTE IMPRESSA
e-
tubulação
(b)
Fe
Pt
Ti,
ânodo
Figura 1 Princípio do funcionamento da proteção catódica por ânodos de sacrifício e
por corrente impressa.
Na figura 1 (a) se representa esquematicamente o funcionamento desse processo. O s
ânodos são conectados eletricamente ao equipamento a proteger. Forma-se, desse modo,
um par galvânico e o potencial misto se posicionará em um valor intermediário entre os
de corrosão dos dois materiais. A quantidade, tamanho e distribuição dos ânodos é de
suma importância para conseguir uma proteção efetiva, devido a uma série de fatores:
O solo ou a água em que estão imersos os equipamentos podem ser mais ou menos
condutores, com o que a distribuição de correntes e potenciais é influenciada.
Não é conveniente em grandes estruturas, colocar os ânodos encostados no metal a
proteger, pois isto fará com que haja uma grande concentração de corrente nesta região
com menor influência sobre regiões mais longínquas o que torna a distribuição do
potencial muito heterogênea.
O zinco como ânodo é usado bastante em água do mar , como em navios,
barcos, píeres etc. É necessário que o Zn seja bastante puro, principalmente isento de
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Fe, Cu, tendo em vista que estes elementos aumentam muito a reação catódica do
hidrogênio sobre o metal. Desse modo, se tem uma auto-corrosão do ânodo que torna
anti-econômico o seu uso, pois parte da dissolução do metal se dá por causa da reação
catódica que acontece sobre ele, em lugar daquela que acontece sobre o metal a
proteger. Aliás, esse cuidado de evitar as impurezas metálicas, que possam catalisar a
reação de hidrogênio, também se deve ter com os ânodos fabricados em ligas de Mg ou
Al.
As ligas de magnésio apresentam o potencial de corrosão mais negativo dos três
tipos de liga citados. Em geral são usadas em água doce, como, por exemplo no interior
de tanques de água, mas também em solos de baixa resistividade (até 6000 ohm.cm)
Tem o problema do preço e o risco de incêndio em caso de faíscas.
Ligas de alumínio tem sido desenvolvidas para a aplicação em proteção catódica.
É preciso que a natural formação de um óxido protetor sobre o Al seja evitado, pois do
contrário se terá uma corrosão muito heterogênea (por pites). Ligas a base de mercúrio
foram muito usadas por essa propriedade, porém as restrições ambientais a compostos
com mercúrio dificultaram sua aplicação. Hoje existem ligas contendo, Zn, Bi, e In,
entre outros elementos, que possuem a facilidade de tornarem o óxido do alumínio
pouco protetor e tornam seu potencial de corrosão mais negativo que o habitual de
outras ligas comerciais. Também são ligas que se usam em água do mar. Elas tem maior
capacidade que as outras ligas (Ah/kg)
Na figura 2 (a) se observa um esquema de curvas de polarização do ânodo e do cátodo
(metal a proteger) Mostra-se que o potencial de ânodo e cátodo estão separados por um
valor correspondente a uma queda ôhmica devida à resistividade do meio que se
encontra entre eles. Isto indica que a parte do cátodo que estiver mais longe do ânodo
terá um potencial menos negativo do que o que estiver mais próximo.
E
Ecor
Eprot
Ecora
IR
anodo
f.e.m.
externa
tubo
Anodo
tubo
Eprot
icor iprot
(a)
i
i
(b)
Fig. 2 Esquema das curvas de polarização de ânodos e cátodos nos sistemas de proteção
catódica: a) por ânodo de sacrifício; b) por corrente impressa
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Sistema de proteção catódica com corrente impressa.
Nos sistemas com corrente impressa, a polarização do metal a proteger é
conseguida pela aplicação de uma corrente catódica através de sua interface, com
auxílio de um gerador de corrente contínua (ou um retificador). Para fechar o circuito é
necessário, neste caso, também a presença de um eletrodo anódico (fig. 1 b). Há porém
uma grande diferença com o método anterior, pois naquele a polarização ocorre
espontaneamente pelo contato entre os dois metais. No processo de corrente impressa, a
corrente é fornecida externamente (figura 2 b) por um gerador ou retificador. Deste
modo. o ânodo é polarizado para valores de potencial acima (mais nobres) do valor de
potencial ao qual se estabiliza o cátodo. A diferença de potencial entre ânodo e cátodo é
suprida pela fonte de força eletromotriz. Assim, não é necessário que o ânodo se
dissolva, pois poderá ser um metal inerte que apenas sirva de sede de uma reação
anódica qualquer, em geral a de liberação de oxigênio (oxidação da água). Pode-se,
porém usar metais corrosíveis como, por exemplo,ligas de Fe-Si (que se corroem
pouco), sucata de ferro ou aço (bastante barata). Os ânodos que não se corroem se
chamam de ânodos permanentes e em geral são de ligas de Ti, Nb ou Ta, platinizados
ou revestidos com óxidos de outros metais nobres como irídio. A vantagem destes é
justamente a de não se dissolverem e portanto não ser necessária sua substituição
periódica. Isto é particularmente importante, quando as estruturas a proteger estão
enterradas em lugares de difícil acesso como no sub-solo de cidades ou em lugares
afastados de centros de manutenção.
Em qualquer dos métodos que se utilize, existe a possibilidade de se produzir
uma superproteção, embora seja mais comum no sistema de corrente impressa. Isto
acontece quando o potencial atingido é desmesuradamente negativo, pois, a densidade
de corrente catódica passa a ser excessiva, com o que se dissolve mais do que o
necessário do ânodo de sacrifício, ou se utiliza mais energia que o suficiente no
processo de corrente impressa. Além disso, o meio ao redor do cátodo, que sempre sofre
uma alcalinização, tem a mesma exacerbada o que pode trazer alguns inconvenientes.
Um deles é o fato de precipitar hidróxidos ou carbonatos, dependendo do meio. Estes
podem implicar em uma resistência elétrica adicional o que vai aumentar a queda
ôhmica mas que não necessariamente é muito inconveniente. Sabe-se, por exemplo, que
o calcário precipitado em água do mar sobre a superfície protegida, dificulta a difusão
do oxigênio até o metal, diminuindo a densidade de corrente catódica. Recentemente foi
publicado por Turnbull et al. que o hidrogênio por outro lado não deixa de ser absorvido
sob a forma atômica pelo cátodo revestido por esses depósitos. Portanto, se o metal
protegido é suscetível à fragilização por hidrogênio, é necessário muita cautela quando
da aplicação da proteção catódica devido a possibilidade de que ela ocorra, devido a um
potencial excessivamente negativo, que facilita demais a redução do H+. Isto é mais
grave quando o processo ocorre em presença de H2S ou outros compostos que catalisem
a absorção do hidrogênio atômico.
Qualquer método que se use de proteção catódica seria muito caro se fosse
necessário trabalhar com a superfície totalmente descoberta, pois a corrente a fornecer é
proporcional à área a proteger. Por isto, é comum que o metal seja revestido por algum
material (pintura, revestimento polimérico, coal tar etc.) e a proteção catódica só
garanta sua ação nas falhas desse revestimento. Estas falhas, no entanto, vão
aumentando com o tempo devido a diversos tipos de degradação do recobrimento e,
com isto, vai sendo exigido cada vez mais do sistema de proteção catódica.
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O crescente uso de sistemas de proteção catódica por corrente impressa ,
principalmente em estruturas enterradas pode dar origem a interações não interessantes
com outros sistemas de infraestruturas, como seja, trilhos de trens, cabos elétricos,
tubulações metálicas protegidas ou não.
Pode-se então ter interferências do tipo:
a)
um cabo metálico se interpõe entre uma tubulação protegida e um ou
mais de seus ânodos (fig. 3). A corrente que flui entre o ânodo e o tubo
entra no cabo e o percorre por um certo trecho. No ponto em que a
corrente (positiva) deixa o cabo para voltar ao solo haverá corrosão no
cabo.
b)
Um trem elétrico tem o retorno de seu circuito elétrico pelos trilhos:
parte da corrente penetra no solo, se este é razoavelmente condutor, e
pode vir a fluir por tubulações, cabos e outros elementos metálicos
enterrados, com o similar comportamento de provocar corrosão onde a
corrente positiva deixar o elemento metálico em direção ao solo.
CORROSÃO POR CORRENTE DISPERSA
e-
M+
TUBO
CABO
ÂNODO
Figura 3. Influência de campo elétrico na corrosão de um cabo colocado no solo
entre tubulação protegida e seu ânodo.
Portanto, é necessário que os diversos sistemas de facilidades e infraestrutura,
principalmente em meios urbanos, sejam projetados em conjunto ou, pelo menos,
levando em conta, no projeto de um, a existência dos demais.
Vale dizer que há correntes telúricas provenientes de atividade geomagnética
que circulam esporadicamente pelo solo, em períodos de ~ 0,1 a 1 h, as quais, ao se
sobrepor a correntes de proteção catódica, podem torná-las menos eficiente
PROPRIEDADES DO SOLO IMPORTANTES NA PROTEÇÃO CATÓDICA
As características físicas e química do solo são muito importantes para os
projetos de proteção catódica uma vez que elas estão associadas à corrosividade maior
ou menor desse meio. As propriedades mais importantes são: resistividade; composição
química e topografia e geologia (solos argilosos, arenosos etc) Estes últimos fatores
podem influir na maior ou menor retenção de água no solo, pois a argila por exemplo
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estagna a água enquanto que a areia ou rochas areníticas permitem melhor evaporação
da água.. É fácil entender que sem água não haverá corrosão.
A resistividade é relativamente fácil de medir pelo método de Wenner ou das
quatro pontas. Os valores são dependentes não só da composição química, do teor de
sais do solo mas principalmente de seu teor de água. Também o pH da água existente no
solo vai influir na corrosividade deste (e indiretamente na resistividade) . O pH depende
fundamentalmente da composição do solo, presença de matéria orgânica (humus), de
microrganismos e seus metabólitos, contaminação por efluentes industriais ou outros.
De um modo geral, quanto menor a resistividade maior a corrosividade. Na tabela a
seguir se vê que, conforme a resistividade do solo aumenta, diminui a densidade de
corrente catódica que é preciso aplicar para a proteção de tubulações enterradas
(revestidas ou enroladas com fita polimérica).
Requisitos de corrente para a proteção catódica de aço relacionados com a
resistividade ρ do solo.
ρ do solo, Ω.m
0.5 a 5
5 a 15
15 a 40
i, mA/m2
1a2
0.5 a 1
0.1 a 0.5
i, mA/ft2
0.1 a 0.2
0.05 a 0.1
0.01 a 0.05
É importante lembrar que solos de composição variável ao longo de uma mesma
estrutura enterrada podem fazer com que apareçam nesta, regiões anódicas e catódicas.
O mesmo acontece com solos mais e menos arejados. Da parte do metal, alternância de
regiões de metal antigo soldado a metal novo também produzirá localização da
corrosão, no material novo o qual servirá de anodo. Estas particularidades devem ser
levadas em conta em um projeto de proteção de modo que o potencial aplicado seja
suficientemente catódico para compensar estas diferenças
PROTEÇÃO ANÓDICA
A proteção anódica, ao contrário da catódica, faz do metal a proteger, um ânodo.
Costuma ser usada com auxílio de uma fonte de corrente contínua. Para entender o seu
funcionamento, é preciso lembrar que ela só convém ser aplicada a metais que podem
ser passivados no meio em que se encontram. Logo, o metal é levado a um potencial
acima do potencial de Flade, tornando-se passivo, pela formação de alguma película
protetora sobre sua superfície.
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P R O T E Ç Ã O A N Ó D IC A
eFONTE
PEÇA
CÁTODO
E
E prot
E cor
fe m
cá to d o
iprot
icor
Fig. 4. (a) Esquema de proteção anódica; (b) forma de curvas de polarização do
material a proteger (ânodo) e do cátodo auxiliar.
Um dos problemas associados à proteção anódica é que, se o metal antes da
aplicação da proteção estiver totalmente no estado ativo, a corrente a aplicar
inicialmente deverá ser superior a corrente crítica, o que pode significar valores muito
elevados, não compatíveis com fontes de corrente relativamente baratas. Para evitar
este problema pode-se tomar certas medidas, como por exemplo: iniciar o processo em
um meio menos corrosivo (menor corrente crítica) e só depois de passivado o metal,
trocar o meio. Ou ainda pré-passivar quimicamente o material em alguma solução
adequada. Há também uma série de problemas que precisam ser previstos como a
certeza de que não ocorra corrosão localizada ao potencial onde se estabilizará o
material ( corrosão por pites ou em frestas).