Proteção catódica, Química, O que é Proteção catódica
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Definição de Proteção catódica
A proteção catódica é definida como a redução ou eliminação da corrosão, tornando o metal um cátodo por meio de uma corrente impressa ou anexado a um ânodo de sacrifício (geralmente magnésio, alumínio ou zinco).
A proteção catódica é a prevenção da corrosão eletrolítica de uma estrutura geralmente metálica (como uma tubulação), fazendo com que ela atue como o cátodo em vez de como o ânodo de uma célula eletroquímica.
A corrosão é a principal causa de falha prematura em estruturas metálicas.
Os operadores podem estender a vida útil de suas instalações e equipamentos instalando sistemas de proteção catódica e testando-os regularmente.
Uma ampla gama de aplicações civis e industriais usa esses sistemas para prevenir a corrosão por muitos anos. Eles são normalmente instalados durante a construção original, grandes expansões ou atualizações.
Existem dois tipos de sistemas de proteção catódica: corrente galvânica e corrente impressa.
Corrosão e proteção catódica são fenômenos eletroquímicos. Compreender corrosão e a proteção catódica requer um conhecimento básico de química e eletroquímica.
Eletroquímica é um ramo da química que lida com mudanças químicas que acompanham a passagem de uma corrente elétrica, ou um processo no qual uma reação química produz uma corrente elétrica.
Exemplos de estruturas onde a proteção catódica é empregada incluem tanques subterrâneos e dutos; tanques de armazenamento acima do solo; interiores de tanques de água; cascos de navios; tanques de lastro; docas; estacas-pranchas; pilhas de fundação de terra e água; subestruturas de ponte; folhas de tubo; tratadores de aquecedor de óleo; e reforço de aço em concreto.
O que é proteção catódica?
A proteção catódica é um método de proteção das estruturas metálicas da corrosão.
Os metais com os quais essas estruturas são feitas – geralmente aço – são propensos à corrosão por meio de uma reação de oxidação quando estão em contato frequente com a água.
A reação envolve o metal liberando elétrons e é promovida por vestígios de sais dissolvidos na água, fazendo com que a água atue como um eletrólito.
A corrosão pode, portanto, ser vista como um processo eletroquímico.
A proteção catódica transforma a estrutura metálica em um cátodo – um eletrodo com carga positiva – criando uma célula eletroquímica usando um metal mais eletropositivo como ânodo, para que a estrutura não perca elétrons para o ambiente.
Este método de proteção pode ser usado em tubos e tanques subterrâneos; estruturas acima do solo, como postes de eletricidade; e estruturas parcialmente submersas, como navios e sondas de perfuração.
Também pode ser usado para proteger as barras de aço em concreto armado.
Metais que são mais resistentes à corrosão tendem a ser mais caros que o aço e podem não ter a resistência necessária; portanto, o aço protegido contra corrosão é geralmente a melhor opção, embora outros metais que podem corroer também possam ser protegidos dessa forma.
O aço consiste principalmente em ferro, que possui um potencial redox de -0,41 volts. Isso significa que tenderá a perder elétrons em um ambiente com potencial redox menos negativo, como a água, que pode entrar em contato com esse metal na forma de chuva, condensação ou umidade do solo circundante.
Gotículas de água em contato com o ferro formam uma célula eletroquímica na qual o ferro é oxidado pela reação Fe -> Fe2 + + 2e-.
Os íons ferro II (Fe2 +) entram em solução na água, enquanto os elétrons fluem através do metal e, na borda da água, uma interação dos elétrons, oxigênio e água produz íons hidróxido (OH-) pela reação: O2 + 2H2O + 4e– -> 4OH-.
Os íons negativos do hidróxido reagem com os íons positivos do ferro II na água, formando o hidróxido insolúvel do ferro II (Fe(OH)2), que é oxidado a óxido do ferro III (Fe2O3), mais conhecido como ferrugem.
Existem dois métodos principais de proteção catódica que buscam evitar essa corrosão, fornecendo uma fonte alternativa de elétrons.
Na proteção galvânica, um metal com potencial redox mais negativo do que o metal a ser protegido é conectado à estrutura por um fio isolado, formando um ânodo.
Magnésio, com um potencial redox de -2,38 volts é frequentemente usado para este propósito – outros metais comumente usados são alumínio e zinco.
Esse procedimento cria uma célula elétrica com uma corrente fluindo do ânodo para a estrutura, que atua como cátodo. O ânodo perde elétrons e é corroído; por esse motivo, é conhecido como "ânodo de sacrifício".
Um problema com a proteção catódica galvânica é que, eventualmente, o ânodo será corroído a ponto de não fornecer mais proteção e precisar ser substituído. Um sistema de proteção catódica alternativo é a Proteção Catódica por Corrente Impressa (ICCP). Isso é semelhante ao método galvânico, exceto que uma fonte de alimentação é usada para gerar uma corrente elétrica do ânodo para a estrutura a ser protegida.
Uma corrente contínua (DC), ao contrário da corrente alternada (AC), é necessária, então um retificador é usado para converter AC em DC. Este método fornece proteção muito mais duradoura, pois a corrente é fornecida externamente em vez de ser gerada pela reação do ânodo com seu entorno, de modo que a vida útil do ânodo é bastante aumentada.
O que é proteção catódica e como ela funciona?
A corrosão é um processo natural que pode deteriorar estruturas metálicas e causar danos caros para o seu negócio.
Para que a corrosão ocorra, quatro elementos devem estar presentes: um local hospedeiro de onde flui a corrente, um local de destino onde nenhuma corrente flui, um meio capaz de conduzir corrente (como água, concreto ou solo) e um caminho de metal entre os host e site de destino.
A corrosão eletroquímica de metais é o processo pelo qual os íons na superfície de um metal são transferidos para outra substância (um despolarizador, ou substância menos ativa ou metal).
Esses despolarizadores são oxigênio, ácidos ou cátions de metais mais passivos.
Para que é usada a proteção catódica?
A proteção catódica é frequentemente usada para mitigar os danos da corrosão em superfícies metálicas ativas.
A proteção catódica é usada em todo o mundo para proteger dutos, estações de tratamento de água, tanques de armazenamento acima e submarinos, cascos de navios e barcos, plataformas de produção offshore, barras de reforço em estruturas de concreto e píeres e muito mais.
A proteção catódica é frequentemente usada para proteger o aço da corrosão. A corrosão é causada quando dois metais diferentes são submersos em uma substância eletrolítica, como água, solo ou concreto.
Este tipo de caminho condutor de metal entre os dois metais diferentes permite um caminho através do qual os elétrons livres se movem do metal mais ativo (ânodo) para o metal menos ativo (cátodo).
Se os elétrons livres do ânodo não atingirem os locais ativos no cátodo antes da chegada do oxigênio, os íons nos locais ativos podem se recombinar para produzir hidróxido ferroso, ou seja, ferrugem.
História da Proteção Catódica
A primeira aplicação da proteção catódica remonta a 1824, quando Sir Humphry Davy, em um projeto financiado pela Marinha britânica, conseguiu proteger o revestimento de cobre contra a corrosão da água do mar com o uso de ânodos de ferro.
Por volta de 1820, o Conselho da Marinha estava ansioso para descobrir a razão pela qual o cobre às vezes ficava sujo, enquanto o ferro se dissolvia e, em outras ocasiões, o cobre se dissolvia rápido demais.
Um Comitê foi formado com a Royal Society (Real Sociedade), da qual Sir Humphry Davy era o presidente.
Davy já havia avançado em 1806 a hipótese de que as cargas químicas e elétricas podem ser idênticas, e mais tarde convenceu Berzelius dessa ideia.
Agora, auxiliado por Michael Faraday, ele começou a fazer experiências com cobre e outros metais, como ferro e zinco em várias soluções salinas, e encontrou as reações eletroquímicas que esperava.
Sir Humphry Davy defendia que uma pequena quantidade de zinco, ou de ferro maleável ainda mais barato, deveria ser colocada em contato com o cobre, evitando assim sua corrosão.
Proteção contra corrosão eletroquímica
Em 1825, Davy foi capaz de se afastar dos testes de laboratório e continuar sua pesquisa a bordo de um navio da marinha.
Davy descobriu que pequenos "protetores" de ferro maleável preservavam o cobre pelo ferro dissolvendo-se gradualmente em um processo galvânico. (Fonte: "Sobre a corrosão das folhas de cobre pela água do mar e sobre os métodos de prevenção deste efeito e sobre sua aplicação a navios de guerra e outros navios". Philosophical Transactions of the Royal Society, 114 (1824), pp 151-246 e 115 (1825), pp 328-346.).
Aqui está um relato detalhado dos eventos que cercam esta importante obra de uma biografia recente escrita por Sir Harold Hartley:
"Em 1823, os Comissários do Conselho da Marinha consultaram Davy sobre a rápida deterioração do revestimento de cobre dos navios de guerra de Sua Majestade. Um Comitê da Royal Society foi nomeado para considerar o problema e Davy começou a investigá-lo experimentalmente. Ele primeiro mostrou que a corrosão era independente de pequenas impurezas no cobre e então, após examinar os produtos da corrosão, ele decidiu que deveria depender do oxigênio dissolvido na água do mar. Experimentos verificando esta conclusão, ocorreu-lhe, à luz de suas primeiras pesquisas, para que ele pudesse evitar a oxidação do cobre mudando sua condição elétrica de modo a torná-lo ligeiramente negativo. Não era possível fazer isso em navios com bateria voltaica, mas poderia ser feito por contato com zinco, estanho ou ferro. Experimentos de laboratório com zinco e ferro na água do mar forneceram proteção perfeita e testes em grande escala deram resultados semelhantes, de modo que o problema parecia estar resolvido. Davy então continuou viagem no Mar do Norte para medir o desperdício de placas de cobre armadas com protetores de zinco e ferro e alguns testes com navios oceânicos pareceram ter sucesso. Infelizmente, descobriu-se então que, embora a corrosão do cobre fosse evitada, o fundo do navio tornou-se tão sujo, devido à adesão de conchas e ervas daninhas, que sua velocidade foi bastante reduzida. O Almirantado ordenou que os protetores fossem removidos logo após Davy ter lido um jornal para a Royal Society anunciando o sucesso total de seu plano. "
Este uso limitado da proteção catódica em revestimentos de cobre perdurou e quando os cascos de madeira foram substituídos por aço, o encaixe de blocos protetores de zinco nas popas dos navios de guerra tornou-se tradicional. Essas placas de zinco, embora oferecessem alguma proteção aos cascos de aço contra os efeitos galvânicos locais devido à presença das hélices de bronze, geralmente não eram consideradas eficazes.
Essa falta de eficiência era devida principalmente ao uso de ligas de zinco inadequadas e outros fatores, como valorização insuficiente da tecnologia de proteção catódica e a tendência de reduzir a eficiência do material de zinco a zero pintando suas superfícies.
Desde aquele início, a proteção catódica cresceu para ter muitos usos em estruturas marinhas e subterrâneas, tanques de armazenamento de água, gasodutos, suportes de plataforma de petróleo e muitas outras instalações expostas a ambientes corrosivos.
Mais recentemente, a proteção catódica provou ser um método eficaz para proteger o aço de reforço da corrosão induzida por cloreto.
A eficácia da proteção catódica na proteção do aço em solos foi demonstrada no início dos anos 1940, quando a proteção catódica foi aplicado a uma velha rede de tubulação de gás natural que vinha desenvolvendo vazamentos a uma taxa crescente, o suficiente para que o abandono fosse considerado seriamente.
A redução observada no número de vazamentos imediatamente após a instalação da proteção catódica foi impressionante.
Uma redução igualmente impressionante na frequência de vazamentos em uma tubulação de água de ferro fundido foi alcançada aproximadamente no mesmo período.
As especificações modernas para a proteção catódica de navios oceânicos ativos foram descritas pela primeira vez em 1950.
Desde aquela época, o progresso tem sido rápido. Avanços consideráveis na tecnologia de proteção catódica foram feitos, materiais de ânodo de sacrifício melhores foram desenvolvidos e circuitos para o uso de sistemas de corrente aplicada controlada, usando ânodos inertes, foram aperfeiçoados.
O primeiro sistema de proteção catódica de corrente impressa de concreto armado foi um sistema experimental instalado em uma viga de suporte de ponte em 1959.
Um sistema mais avançado foi subsequentemente instalado em um tabuleiro de ponte em 1972.
O sistema de ânodo usado em ambas as aplicações foi baseado em uma proteção catódica de corrente impressa convencional sistema para oleodutos, mas 'espalhado' sobre um tabuleiro de ponte.
A proteção catódica tornou-se, desde então, uma das poucas técnicas que podem ser aplicadas para controlar a corrosão em estruturas existentes.
Fonte: www.cathodicprotection101.com/eoncoat.com/www.icorr.org/corrosion-doctors.org/inspectioneering.com/www.wisegeek.org/cathwell.com/www.matcor.com/www.nace.org