ÂNODO DE SACRIFÍCIO CORRENTE IMPRESSA e- e-

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1 1 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 CORRENTE IMPRESSA e- e- Zn Fe Mg Pt Al Ti, tubulação ânodo de sacrifício tubulação ânodo (a) (b) 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

2 2 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 E cor a anodo E cor f.e.m. E prot IR tubo externa Anodo tubo E prot i cor i prot i i (a) (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

3 3 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 H 2 S 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.

4 4 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

5 5 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 i, ma/m 2 i, ma/ft a 5 1 a a a a a a a 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.

6 6 P R O T E Ç Ã O A N Ó D I C A e - F O N T E P E Ç A C Á T O D O E E p r o t E c o r f e m c á t o d o i p r o t i c o r 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).