1

COROZIUNEA N DOMENIUL ELECTRIC

Prof. Dr. Eng. Razvan George Rpeanu

2

PROCESE DE COROZIUNE Definiii. Clasificri Forme de coroziune Coroziunea uniform Diagrama de coroziune ISO Coroziunea n puncte (Pitting corrosion) Coroziunea n crevas (crevice corrosion) Coroziunea filiform Coroziunea galvanic Celul de concentraie Atacul selectiv Atacul selectiv. Dezincarea Coroziunea eroziv Cavitaia i impactul Impact i cavitaie Coroziunea de contact (Fretting corrosion) Fragilizarea prin hidrogen Fisurarea sub aciunea mediului

(Environmental cracking)

Coroziunea intercristalin (Intergranular corrosion)

Atac tip lam de cuit (Knife-line attack) Coroziunea prin exfoliere (Exfoliation corrosion) Coroziunea microbiologic -Microbiologically

Influenced Corrosion (MIC) Aprecierea rezistenei la coroziune Indicii cantitativi de coroziune Oxidarea metalelor Coroziunea electrochimic Potenialul i curentul de coroziune Coroziunea prin depolarizare cu oxigen Diagrama Tafel Coroziunea prin pile de concentraie n oxigen Diagrama Pourbaix a fierului Pasivarea metalelor i aliajelor Factorii externi care influeneaz viteza de

coroziune electrochimic Coroziunea n medii naturale Coroziunea n ap de mare

3

Aspecte generale Coroziunea exterioar a conductelor

subterane PROTECIA PASIV A CONDUCTELOR Protecia pasiv exterioar Sisteme de protecie a conductelor

subterane Clasificarea i destinaia materialelor de

acoperire Materiale plastice pentru protecia

exterioar a conductelor Materiale termoplastice Materiale termocontractibile Materiale de protecie aplicate la cald Controlul materialelor i straturilor de

acoperire Tehnologii de aplicare a izolaiei

exterioare Acoperirea cu bitum de petrol sau gudron

de crbune Acoperirea prin pulverizarea de materiale

sintetice Acoperirea la rece cu benzi izolante Acoperirea cu materiale

termocontractibile

Acoperirea prin extrudare Efectele criohidrailor asupra

transportului prin conducte PROTECIA CATODIC A CONDUCTELOR Densitatea necesar de curent pentru

protecia catodic a conductelor Avantajele economice ale proteciei

catodice a conductelor Criterii de alegere a sistemului de

protecie catodic pentru conductele subterane

Datele necesare proiectrii proteciei catodice

Etapele proiectrii proteciei catodice cu anozi activi

Curentul injectat de un anod n conducta subteran

Protecia catodic a conductelor subterane cu surs exterioar de curent

Anozi auxiliari Protecia conductelor fa de curenii de

dispersie Protecia conductelor prin mbinri

electroizolante Protecia n cazul subtraversrilor PROIECTAREA PROTECIEI CATODICE A

CONDUCTELOR SUBTERANE

4

PROCESE DE COROZIUNE

Definiii. Clasificri Coroziunea se poate defini ca un proces de distrugere n timp a materialelor prin aciunile

chimice sau/i electrochimice ale mediului n care se afl, ca urmare a tendinei metalelor de a reveni la starea stabil de oxizi, sulfai, carbonai etc.

Standardul ISO 8044:1999 definete coroziunea unui metal ca interaciunea fizico-chimic ntre acesta i mediul n care se afl, ce antreneaz modificri ale proprietilor metalului i o degradare funcional a acestuia, a mediului su nconjurtor sau a sistemului tehnic constituit din aceti componeni.

Coroziunea este un fenomen de interfa ce se desfoar ntre material i mediu nconjurtor. Orice modificare a proprietilor de la nivelul interfeei influeneaz direct procesul de coroziune. Exemple n acest sens sunt multiple: circulaia apei care aduce permanent o nou cantitate de oxigen, nclzirea care intensific reaciile chimice, tensionarea mecanic a materialului care mrete energia liber a metalului etc.

Mediile n care se desfoar procesele de distrugere se consider ca medii corozive sau agresive. Acestea prezint elemente chimice cu straturi de valen incomplete (oxigen, clor, sulf etc.) i mpreun cu ionii metalici trecui n soluie formeaz compui chimici stabili. Energia liber a compuilor chimici rezultai este mai redus dect energia liber a metalului. Deci, procesul de coroziune const n trecerea metalului din stare termodinamic instabil ntr-o stare mai stabil. Pornind de la aceast definiie, coroziunea este un proces ce repar ce a stricat omul. Dac energiile libere ale metalului i ale compuilor chimici sunt apropiate, procesul de coroziune nu nceteaz, ci i reduce intensitatea. n funcie de aceast diferen dintre energiile libere, metalele pot fi clasificate astfel: metale corodabile sau de sacrificiu, metale seminobile i metale nobile.

5

Forme de coroziune

Rezistena la coroziune este capacitatea unui metal de a-i menine caracteristicile funcionale n condiiile date de aciunea distructiv a mediului coroziv.

Rezistena la coroziune este legat direct de natura, structura i starea energetic ale materialului, de natura, starea i agresivitatea mediului, de intensitatea aciunii factorilor externi perturbatori.

Procesele care concur la distrugerea materialului i formele acestora de manifestare sunt foarte numeroase i complexe. Necesitatea combaterii coroziunii presupune cunoaterea mecanismelor n dinamica lor de desfurare cu luarea n consideraie a consecinelor.

Formele diferite de coroziune reprezint fenomenele de coroziune mprite conform modului de identificare. Formele de coroziune sunt mprite n trei grupe ce se

bazeaz pe uurina identificrii

6

Forme de coroziune

Criteriile care stau la baza clasificrii tipurilor de coroziune sunt numeroase. Dintre

acestea, mai importante sunt:

1- Mecanismul de desfurare:

- coroziunea chimic;

- coroziunea electrochimic;

- coroziunea microbiologic.

2- Natura mediului coroziv:

- coroziunea atmosferic;

- coroziunea n gaze;

- coroziunea n lichide;

- coroziunea n sol.

3- Locul i caracterul distrugerii:

- coroziunea de suprafa;

- coroziunea penetrant;

- coroziunea prin fragilizare.

4- Modul de solicitare:

- coroziunea sub tensiune;

- coroziunea prin oboseal;

- coroziunea prin frecare.

5- Natura proceselor metalurgice:

- coroziune prin carburare;

- coroziune prin decarburare;

- coroziune prin dezincare;

- coroziune prin grafitizare;

- etc.

7

Coroziunea uniform

Coroziunea uniform este modul de manifestare clasic al aciunii acizilor minerali asupra oelurilor carbon i slab aliate. Dizolvarea metalului este uniform pe toate suprafeele expuse mediului agresiv i progreseaz aproximativ cu aceeai vitez pe ansamblul suprafeelor. Defectarea acoperirii protectoare a structurii deseori conduce la aceast form de coroziune.

Oricum, coroziunea uniform este de preferat deoarece este predictibil i poate fi inclus n calculele de proiectare crescnd grosimea de perete:

Grosimea de perete = Grosimea rezultat din solicitri

+marj de siguran+ (viteza de coroziune durata de via proiectat)

8

Diagrama de coroziune ISO

Pentru majoritatea aplicaiilor o coroziune uniform cu o vitez de coroziune mai mic de 0.5mm/an este de obicei mai mult sau mai puin acceptabil.

Diagrama ISO de coroziune ne indic condiiile acceptabile de temperatur i concentraie ale unor aliaje imersate n medii agresive. Coroziunea uniform mai mic de 0.5mm/an o obinem sub linia albastr din diagram.

Diagrama nu ne d informaii despre alte forme de coroziune ce apar (localizat)!

Isocorrosion diagram for stainless steel AISI 316L and duplex stainless steel (DSS) in sulfuric acid at 0.5 mm/year.

DSS

9

Coroziunea n puncte (Pitting corrosion)

Coroziunea n puncte (Pitting corrosion ) este o form localizat de coroziune prin care se produc caviti n material. Pittingul este considerat mai periculos dect coroziunea uniform, deoarece este mai dificil de detectat i prezisis. Produii de coroziune deseori acoper punctele de coroziune. Un punct mic de coroziune pe suprafa 0.1-0.2mm poate avea adncimea echivalent cu grosimea de perete. Coroziunea prin pitting apare cnd suprafaa redus atacat se distruge mult mai rapid dect restul suprafeei adiacente. Punctele de coroziune se constituie n concentratori de efort.

Selecia materialului este foarte important n evitarea riscului de pitting. Rezistena la cloruri este mbuntit prin creterea coninutului n molibden. Astfel AISI 317 este mai rezistent dect 316 care este mai rezistent dect 304. Sunt relaii propuse pentru a prezice rezistena la pitting, de exemplu pentru oeluri inoxidabile austenitice i duplex:

PI =Cr + 3.3Mo + xN x = 16 pentru duplex, and x =30 austenitice. Riscul de pitting crete cnd mediul este stagnant i se creaz microclimate pe

suprafa. Uscarea i ventilarea previne acumularea electrolitului stagnant la fundul conductelor, evilor, rezervoarelor etc.

Utilizarea de inhibitori dac nu elimin complet ionii activi, accelereaz pittingul

10

Pitting corrosion

Oelurile inoxidabile sunt n special succeptibile la coroziunea n puncte prin distrugerea local a filmului pasiv de oxid.

Cauzele sunt ionii de clor. Mecanismul pentru pitting este similar ca la coroziunea n crevase sau prin pile de

concentraie n oxigen.

Punctul de coroziune poate fi iniiat pe suprafa de defecte precum zgrieturi ale acoperirii protectoare.

Un raport mic ntre suprafaa anodic i cea catodic produce vitez de coroziune mare.

Pits formed in a swimming pool pipe made by AISI 304 stainless steel.

The pitting of an AISI 304 steel plate by an acid-chlorine solution.

11

Coroziunea n crevas (crevice corrosion)

Crevice corrosion este o form de coroziune localizat, asociat cu soluii stagnante. Deoarece difuzia oxigenului este restricionat se stabilesc celule de aerare difereniat ntre crevas (microclimat) i restul mediului.

Coroziunea apare la vrful crevasei datorit limitrii accesului la oxigen.

12

Coroziunea filiform

Coroziunea filiform este legat de atacul n crevas. Ea apare sub filme, straturi protectoare i se caracterizeaz prin trasee interconectate ale produilor de coroziune. Coroziunea mai activ apare la capetele microtraseelor formate.

Se recomand cnd este posibil, mbinrile sudate dect mandrinate sau cu boluri sau uruburi. Depozitele s fie ndeprtate de pe suprafee, prin filtrare s se ndeprteze suspensiile solide, s se utilizeze materiale neabsorbante pentru etanri.

Protecia catodic este eficace dar nu i cea anodic. Tratarea mediului nu este eficace odat ce coroziunea n crevas sau filiform s-a

iniiat.

13

Coroziunea galvanic

Coroziunea galvanic sau coroziunea prin macropile galvanice este caracteristic materialelor de natur sau stare diferite, legate electric ntre ele, imersate mpreun n acelai mediu electrolitic. Acestea formeaz o pil galvanic n care anodul sau metalul mai puin nobil se corodeaz.

Coroziune galvanic ntre o flan din oel carbon cu o eav din AISI 304.

Potenialul i curentul de coroziune ale materialelor asamblate

14

Coroziunea galvanic

Pentru o arie catodic dat, un anod cu suprafa mai mic se va coroda mai rapid dect unul cu arie mai mare.

Se recomand a se face aria anodic mai mare ca cea catodic!

15

Coroziunea galvanic

Msuri ce trebuie luate pentru a se reduce efectele coroziunii galvanice:

Dac alturare a dou materiale este necesar, ele trebuie s aib poteniale electrochimice ct mai apropiate.

Evitarea unui raport neadecvat ntre raportul ariilor anodice respectiv catodice; utilizarea unei arii anodice ct mai mare posibil.

Folosirea de izolatori ntre metale diferite.

Utiizarea proteciei catodice.

S se utilizeze la mbinrile sudate metal de adaos mai nobil dect materialele de baz.

Dac cupla galvanic trebuie s fie acoperit, se recomand ca acoperirea s fie pe catod mai degrab dect pe ntreaga suprafa. Pe anod vor apare defecte inerente unde se va concentra coroziunea!

16

Coroziunea galvanic

Celule macrogalvanice (i.e. coroziune galvanic macroscopic) se dezvolt cnd sunt n contact materiale diferite.

Celule microgalvanice se dezvolt cnd microstructura metalului sau aliajelor conine regiuni cu faze i constitueni diferii.

Celule de concentraie se dezvolt cnd un metal conine regiuni cu concentraii diferite ale electrolitului.

Celule de tensiune se dezvolt cnd un metal conine regiuni cu eforturi locale diferite.

17

Celul de concentraie

Variaia concentraiei de oxigen formeaz o arie anodic localizat sub o pictur de ap.

Coroziunea n centrul picturii de ap este datorat dezaerrii, acidizrii i formrii unui anod localizat.

Celula de aerare diferit poate fi considerat un model pentru iniierea pittingului i a coroziunii n crevas. Anod:

Fe Fe2+ + 2e-

Fe2+ 2H2O Fe(OH)2 + 2H+

Catod:

O2 + 2H2O + 4e- 4OH-

18

Atacul selectiv

Atacul selectiv se refer la eliminarea selectiv unui element dintr-un aliaj prin procesul de coroziune.

Un exemplu este dezincarea din alame producndu-se o structur poroas de cupru.

Grafitizarea fontelor unde rezult o reea fragil de grafit orientat dup trecerea n soluie a fierului. Fierul reprezint zona anodic i se dizolv n sol sau ap lsnd n urm grafitul-catod i produi de coroziune.

Fontele maleabile i nodulare nu au o reea de grafit i coroziunea prin grafitizare nu apare.

Coroziunea prin grafitizare ntr-o font cenuie

19

Atacul selectiv. Dezincarea

Atacul selectiv este controlat uzual prin selecia materialului. De exemplu alama este rezistent la dezincare dac se aliaz cu mici cantiti sub for de urme cu arsenic, fosfor ori antimoniu. sunt adugate n aliaj.

Acoperirile cu alam trebuie s se fac cu aceste aliaje stabilizate.

Alamele cu procent mic de Zn sunt mai puin succeptibile la acest tip de coroziune.

n medii mai agresive se recomand utilizarea aliajelor Cu-Ni.

Alamele bifazice, + , sunt mai succeptibile la dezincare.

Alamele cu procent mic de Zn (< 15 % Zn) este n general imun la dezincare dar sunt scumpe pentru c nu pot fi turnate sau forjate economic.

20

Coroziunea eroziv

Coroziunea eroziv intervine cnd stratul de protecie este local distrus de ctre particulele solide din lichidul n micare sau de lichidul cu o curgere puternic turbulent.

Turbulena, lovirea i cuplarea galvanic contribuie la distrugerea filmului protector i la declanarea unei viteze de coroziune cu mult mai mare dect n regim static.

Coroziunea avanseaz n profunzime nrutind i mai mult regimul de curgere pe suprafaa expus eroziunii.

21

Coroziunea eroziv

Selecia materialelor joac un rol important n minimizarea distrugerilor prin eroziune. Duritatea materialului nu garanteaz o rezisten ridicat la eroziune.

Proiectarea este foarte important. Se recomand reducerea vitezei de curgere a fluidului i acesta s aib o curgere laminar. Creterea diametrului conductei este util din acest punct de vedere. Suprafeele rugoase nu sunt de dorit. Schimbrile brute de direcie, modificrile de seciune, obstruciile pe traseu trebuie evitate. Conductele de umplere a rezervoarelor trebuie s nu trimit jetul pe perei ci pe ct posibil n centru. Flanele sudate, evile s fie aliniate.

Grosimea ariilor vulnerabile trebuie s fie majorat sau s se aplice tuburi de protecie.

Particulele abrazive trebuie filtrate sau sedimentate, se pot aplica icane etc.

Dezaerarea i utilizarea de inhibitori de coroziune.

Protecia catodic i aplicarea de acoperiri protectoare reduce atacul prin eroziune.

Eroziune la o mbinare T

Supranlare ce produce turbulen

22

Cavitaia i impactul

Impactul i cavitaia sunt forme particulare ale coroziunii prin eroziune.

Coroziunea prin cavitaie este o form special de coroziune-eroziune cauzat de formarea i implozia bulelor de vapori sau gaze din lichidul aflat n apropierea suprafeei metalului. Undele de oc din lichid pot crea microlocal presiuni de pn la 400 MPa. La asemenea presiuni repetate n timp materialul se detaeaz prin oboseal superficial.

Pentru reducerea distrugerilor prin cavitaie trebuie reduse gradientele de presiune, proiectarea trebuie s evite scderea presiunii sub presiunea vaporilor lichidului, utilizarea de acoperiri cu rezilien ridicat, evitarea ptrunderii aerului, protecie catodic etc.

Cavitaie pe o suprafa cu grosimea de 1.5 cm

23

Impact i cavitaie

Cavitaia este des ntlnit la elicele de vapoare, pompe, turbine etc.

Apariia coroziunii prin cavitaie necesit timp de incubare i suprafeele durificate sunt mai rezistente.

Cavitaie pe suprafaa unei vane de ghidare

24

Coroziunea de contact (Fretting corrosion)

Coroziunea de contact (fretting corrosion) se produce la interfaa a dou metale puternic solicitate i supuse unei alunecri relative vibratorie de mic amplitudine (10-3 10-6 mm) i frecven ridicat. ndeprtarea de material se prezint sub form de puncte i anuri umplute cu produse de coroziune.

Coroziunea de contact a aliajelor feroase se caracterizeaz prin particule fine de oxid rou de oxid feric Fe2O3.

Coroziune de contact la inelul exterior de rulment

25

Fisurarea sub aciunea mediului (Environmental cracking)

Environmental cracking este o form sever a coroziunii localizate. Sunt trei forme de fisurare sub aciunea mediului, coroziunea sub tensiune-

stress corrosion cracking (SCC), coroziunea prin oboseal- fatigue corrosion i fragilizare prin hidrogen.

SCC - Coroziunea sub tensiune este rezultatul aciunii conjugate a tensiunilor mecanice i mediul corosiv. La nceput se manifest ca o coroziune n puncte dup care continu prin fisurare ca urmare a efectului puternic de concentrator de tensiuni a unora dintre punctele formate.

Macroscopic suprafaa de rupere prin SCC are aspect fragil. Ea este clasificat ca o form extrem de periculoas de coroziune. Ruperea apare neateptat, detectarea micilor fisuri depistndu-se cu dificultate.

26

Fragilizarea prin hidrogen

Hydrogen embrittlement este clasificat separat de SCC fiind dat de creterea riscului de rupere datorit difuziei hidrogenului n structura materialului.

Reducerea catodic a apei cu formarea de hidrogen este o surs potenial de fragilizare. Hydrogen stress cracking and sulfide stress cracking sunt termenii utilizai pentru fragilizarea prin hidrogen dat de interaciunea cu hidrogenul sau cu H2S.

Materialele cu structura CVC sunt mai sensibile la fragilizare. Concentratorii de efort trebuie evitai. n medii fragilizante protecia catodic trebuie utilizat cu precauie.

27

Coroziunea intercristalin (Intergranular corrosion)

Coroziunea intergranular este specific aliajelor ce prezint compui precipitai pe graniele cristalelor. De exemplu, la oelurile inoxidabile, prin difuzia la cald a atomilor de crom i carbon i precipitarea carburilor de crom pe graniele cristalelor de austenit, se reduce rezistena la coroziune a zonei centrale a cristalelor i se reduc mult proprietile mecanice ale oelurilor.

Un raport mic ntre aria anodic i cea catodic conduce la micropile de coroziune.

Precipitarea carburilor la limita grunilor cristalini

28

Coroziunea intercristalin

Diagram T.T.T. pentru oel 18Cr-8Ni

29

Atac tip lam de cuit (Knife-line attack)

Atacul tip lam de cuit apare lng custura unei mbinri sudate. Apare sensibilizarea n ZIT.

Ciclul termic la sudare

30

Coroziunea prin exfoliere (Exfoliation corrosion)

Coroziunea prin exfoliere este o form de coroziune intercristalin pe care o ntlnim la aliaje cu o structur metastabil precum aliaje de aluminiu de mare rezisten. Aliaje ce au fost extrudate, sau au fost solicitate avnd cristale alungite sunt expuse la acest tip de coroziune. Produii de coroziune cresc ls limita cristalelor produc un efect de ridicare de exfoliere. Procesul ncepe la capetele piesei, alezaje dar se dezvolt pe ntreaga suprafa.

31

Coroziunea microbiologic -Microbiologically Influenced Corrosion (MIC)

Coroziunea microbiologic apare n special n medii cu pH 4-9 i temperaturi ntre 10C i 50C la oelurile carbon, oeluri inoxidabile i la aliajele aluminiului i cuprului.

Depozite cu miros de ou stricate semnaleaz clar coroziune microbiologic.

MIC produce: Formarea de biofilm

Oxidarea sulfurilor

Oxidarea fierului

Producerea de produi acizi

Depozite microbiologice ce cauzeaz blocarea curgerii n eav din oel carbon.

Bacterii aerobe ce produc pile de concentraie n oxigen

32

Coroziunea microbiologic -Microbiologically Influenced Corrosion (MIC)

Bacteriile sulfato-reductoare -Sulfate-reducing bacteria (SRB) sunt cele mai cunoscute i n acelai timp duntoare.

Desulfomonas i Clostridium sunt bacterii reductoare de sulfai ce produc H2S i H2SO4

SRB oxideaz sulful din cuciuc vulcanizat producnd mbtrnirea etanrilor.

Cladosporium resinae (fungi) produc acizi ce atac rezervoarele din aluminiu de la avioane.

Tuberculi de bacterii

33

Aprecierea rezistenei la coroziune

ncercrile de coroziune au ca obiective: elucidarea mecanismului de coroziune n diverse medii i stabilirea

corelaiei dintre factorii care modific viteza de coroziune; cunoaterea comportrii materialelor ntr-o varietate de medii agresive i

alegerea materialului ce corespunde din punct de vedere tehnic i economic;

stabilirea unui material de baz i eventual a unui material de nlocuire pentru o anumit situaie dat;

controlul de calitate al produselor semifabricate, intrate n ciclul de fabricaie;

verificarea tehnologiei de execuie n funcie de comportarea la coroziune a elementelor realizate;

aprecierea ct mai just a duratei de exploatare a materialului n condiiile date de funcionare.

34

Aprecierea rezistenei la coroziune

Parametrii mai importani, care se urmresc nainte i n timpul testrii comportrii la coroziune, sunt urmtorii:

compoziia mediului lichid sau gazos (concentraia ionilor de hidrogen sau pH-ul, concentraia oxigenului, concentraia compuilor sau ionilor activi);

starea de micare a soluiei (repaus, agitare, curgere n circuit deschis sau circuit nchis);

temperatura de lucru; umiditatea mediului gazos i punctul de rou; starea suprafeelor expuse coroziunii; starea de tensiuni din material; microstructura i puritatea materialului metalic; procesele metalurgice care pot interveni n material la nclzire i rcire n prezena

mediului agresiv; modul de pregtire a suprafeei n vederea aplicrii proteciei contra coroziunii; natura i starea straturilor de protecie etc.

35

Indicii cantitativi de coroziune n situaia unei coroziuni uniforme, comportarea materialului se apreciaz prin indicele

gravimetric, indicele de penetraie i indicele volumic.

Indicele gravimetric Kg se definete ca fiind modificarea masei probei supus coroziunii pe unitatea de suprafa i unitatea de timp:

Indicele de penetraie p reprezint adncimea medie de ptrundere a coroziunii n peretele probei, n unitatea de timp:

Indicele de penetraie nu poate caracteriza coroziunea local, penetrant sau selectiv.

Indicele volumic caracterizeaz procesul de coroziune prin volumul de hidrogen degajat sau de oxigen consumat n unitatea de suprafa i de timp.

36

Indicii cantitativi de coroziune

Pentru materialul tubular (evi, conducte, burlane), aprecierea rezistenei la coroziune se stabilete pe baza indicelui de penetraie exprimat n procente din grosimea peretelui i n funcie de acesta sunt stabilite patru clase de rezisten la coroziune: - materiale rezistente p = 0...15 %/an; - materiale cu rezisten medie p = 15...25 %/an; - materiale cu rezisten mic p = 25...50 %/an; - materiale nerezistente p > 50 %/an.

n cazul unei coroziuni locale (prin puncte, selectiv, intercristalin), pentru aprecierea rezistenei la coroziune se recomand cercetarea modificrii unor caracteristici fizico-mecanice, cum ar fi: rezistena la traciune, gtuirea la rupere, reziliena, energia de rupere prin oc . a.

Indicele de reducere a rezistenei la rupere prin traciune KR se calculeaz cu relaia:

n care: Rmi este rezistena la rupere a materialului nainte de a fi corodat, Rmc rezistena la rupere dup expunerea n

mediul coroziv. Att Rmi ct i Rmc se stabilesc pentru aria transversal iniial a probei.

Pe curba de traciune a unui material sensibil la hidrogen se constat lipsa palierului care marcheaz limita de curgere, curba lui Hooke asemnndu-se cu a unui material fragil. Totodat, epruvetele hidrogenate prezint o reducere nensemnat a gtuirii la rupere.

Lund ca parametru msurabil gtuirea la rupere, se poate defini indicele de fragilizare prin hidrogen KH ca fiind:

n care: Z este gtuirea la rupere pe epruveta neexpus atacului prin hidrogen, ZH - gtuirea la rupere pe epruveta

hidrogenat.

37

Indicii cantitativi de coroziune

Pe baza acestui criteriu, comportarea materialelor se apreciaz astfel: - KH 30 - materiale cu o comportare bun; - 30 < KH 80 - materiale cu o comportare medie; - KH > 80 - materiale cu o comportare slab, care devin fragile.

Acest indice permite caracterizarea relativ rapid a comportrii materialelor n mediile cu hidrogen, folosind o metod simpl de ncercare.

O metod modern de cercetare a procesului de coroziune n desfurare este metoda acustic. Metoda se bazeaz pe microvibraiile ce se propag n material la degajarea bulelor de hidrogen, la fisurarea stratului de oxizi, la propagarea fisurilor la coroziunea sub tensiune etc. Microvibraiile sunt captate de un sistem piezoelectric, amplificate i afiare pe calculator. Activitatea microvibratoare poate fi corelat cu viteza de coroziune determinat prin metoda gravimetric.

Metoda acustic permite detectarea, localizarea, evaluarea i urmrirea degradrii materialelor metalice i a straturilor acestora de protecie n condiii de exploatare.

38

Oxidarea metalelor Oxidarea metalelor n aer se desfoar dup o reacie de forma:

n prima faz, de formare a peliculei de oxid, acioneaz oxigenul adsorbit ce disociaz

n cei doi atomi componeni. Primele legturi chimice ale atomilor de oxigen se formeaz n acele puncte n care metalul prezint o energie liber mai mare sau o concentraie mai mare a atomilor metalici mai puin nobili. Repartiia acestor oxizi primari depinde mult de structura metalografic din suprafa i de orientarea cristalelor. Se ajunge la formarea aa numitelor nuclee de oxid care n continuare se extind prin difuzie pn cnd se acoper ntreaga suprafa i stratul rezultat prezint o textur proprie.

Odat suprafaa acoperit, procesul de oxidare se ncetinete deoarece de acum acesta se desfoar prin difuzie. nseamn c oxidarea nu poate continua dect dac exist o diferen de concentraie n oxigen ntre exteriorul stratului de oxid i interfaa metal - oxid. Continund oxidarea, n strat se induc tensiuni importante care produc defecte (pori, fisuri) ce asigur un acces liber al oxigenului.

Din punct de vedere cinetic, oxidul poate crete n afar cnd mobilitatea ionilor metalici prin stratul de oxid este mai mare dect a oxigenului, sau spre interior cnd situaia se inverseaz. Viteza maxim de coroziune se constat cnd oxigenul este cel care difuzeaz mai uor prin stratul de oxizi.

Dac se consider fierul, la temperaturi mai mici de 590 oC, acesta se acoper cu un strat de Fe3O4 i un strat extern de Fe2O3, pe cnd la temperaturi mai mari de 590

oC prezint trei straturi de oxizi, primul fiind de FeO (Fe0,94O wustita), al doilea de Fe3O4 (hematita) i cel exterior de Fe2O3 (magnetita).

yxOMO

yxM

22

39

Oxidarea metalelor

Din punct de vedere cinetic, creterea grosimii peliculei de oxid se poate desfura dup:

- o lege liniar de forma (Mg): s kt s0 caracteristic straturilor poroase de oxizi, cnd oxigenul are acces

direct la metal; - o lege parabolic de forma (Fe, Cu, Ni): s2 kt s0 caracteristic ngreunrii deplasrii ionilor prin stratul de oxid; - o lege logaritmic de forma (Zn): s k ln t/c s0 caracteristic n prima faz de formare a peliculei compacte de

oxizi. n aceste relaii s-au folosit urmtoarele notaii: s grosimea

peliculei de oxid, s0 grosimea iniial, t timpul de expunere, k factor dependent de condiiile de oxidare, c constant caracteristic metalului.

Att legea parabolic ct i cea logaritmic de cretere a grosimii stratului de oxid indic faptul c pelicula are un oarecare rol protector pentru suprafaa metalului.

Legile de cretere a grosimii peliculei de oxid.

40

Oxidarea metalelor

Continuitatea i compactitatea peliculei de oxid sunt legate de condiiile de formare i de raportul dintre volumul oxidului i volumul metalului oxidat.

Marea majoritate a metalelor prezint oxizi cu un volum mai mare dect al metalului consumat.

Pornind de la raportul Vox/Vm , metalele se mpart n dou categorii:

- metale cu Vox/Vm 1, caracterizate printr-o pelicul de oxid poroas, fisurat, care nu asigur protecia metalului, oxigenul avnd posibilitatea de a fi n contact cu metalul pe ntreaga durat de expunere;

- metalele cu Vox/Vm 1, caracterizate printr-o pelicul de oxid compact, relativ aderent, care asigur frnarea procesului de oxidare, oxidarea continund numai prin difuzie.

Protejarea metalului de ctre stratul de oxid format este asigurat cnd:

1 Vox/Vm 2

Metalul oxidat Tipul oxidului

Vox/Vm

W WO3 3,59

Mo

MoO2 3,40

MoO3 2,18

Fe

Fe2O3 2,14

FeO 1,77

Cr Cr2O3 2,07

Al Al2O3 1,28

Ni NiO 1,65

41

Coroziunea electrochimic Coroziunea electrochimic este principala form de distrugere a metalelor i aliajelor. Mediul n care se desfoar coroziunea electrochimic este bun conductor de electricitate. Un asemenea mediu poate fi apa impurificat, pelicula de ap condensat, soluiile acide sau alcaline, solul umed etc. Metalele devin active i trec n soluie sub form de ioni ca urmare a transferului de sarcini electrice sub influena diferenei de potenial creat de electronii liberi. La nivelul suprafeei metalice aflat n contact cu electrolitul se desfoar dou reacii de electrod, una anodic i alta catodic. Reaciile anodice i catodice sunt legate ntre ele printr-un bilan riguros de sarcini electrice i se desfoar cu aceeai vitez i la un potenial comun numit potenial mixt. Reacia anodic sau de ionizare, const n trecerea ionilor metalici n soluie i constituie reacia de distrugere a metalului: M Mz ze- n soluia apoas, ionul metalic trece n lichidul coroziv sub form de ion hidrat i cedeaz suprafeei electronii: Mz+ + zH2O M(OH)z zH

ze- Reacia catodic este o reacie de preluare a electronilor rmai n faza metalic prin trecerea ionilor n soluie de ctre un acceptor de electroni (depolarizant) existent n soluie i constituie motorul coroziunii prin consumarea electronilor: D + ze Dze

Reacia catodic n mediu acid conduce reducerea ionilor de hidrogen: 2H 2e H2 O2 + 4H

+ + 4e 2H2O iar n mediu alcalin, la reducerea oxigenului molecular dizolvat n electrolit cu formarea grupului oxidril: 2H2O + 2e H2 + 2OH

-

O2 + 2H2O + 4 e 4OH-

42

Coroziunea electrochimic

Pentru ca procesul de coroziune electrochimic s se desfoare trebuie ndeplinite urmtoarele condiii:

- s existe un anod cu potenial minim, unde are loc oxidarea i un catod cu un potenial mai ridicat, unde se produce reducerea;

- anodul i catodul s se afle mpreun n acelai mediu electrolitic; - ntre anod i catod s existe o legtur exterioar metalic. n procesul electrochimic oxigenul joac un rol deosebit. El contribuie la ndeprtarea

hidrogenului format pe catod i la formarea unor compui chimici capabili s stimuleze activitatea catodului.

Reaciile succesive de coroziune cele mai importante pentru transportul i depozitarea produselor petroliere sunt cele dintre fier i oxigen n prezena apei, care conduc la formarea ruginii [Fe(OH)3 nH2O]:

Oxidare Fe Fe2+ + 2e Reducere O2 + 4H

+ +4e 2H2O Reacia global 2Fe + O2 + 4H

+ 2Fe2+ +2H2O Formarea ruginii 2Fe2+ + O2 + 5H2O 2Fe(OH)3 +4H

+

Degajare de hidrogen 2H+ + 2e H2 Viteza de coroziune este strns legat de cantitatea de oxigen ce ajunge la suprafaa

anodic (acces direct, prin difuzie, turbulen etc.).

43

Potenialul i curentul de coroziune

In interiorul unei pile galvanice se creeaz o for electromotoare E, care convenional se definete ca fiind diferena dintre potenialul electrodului pozitiv i potenialul electrodului negativ. Cu ct aceast diferen este mai mare cu att viteza de coroziune este mai mare.

Diferena de potenial care intervine ntre metal i soluie n condiiile deplasrii unidirecionale a ionilor, poart numele de potenial de electrod. Aceast diferen de potenial se datoreaz faptului c potenialul ionilor metalici din soluie este diferit de cel al ionilor metalici din reeaua cristalin.

Potenialul reversibil al reaciei anodice, de ionizare a metalului, se stabilete cu relaia lui Nernst:

n care: E0 este potenialul standard de electrod al metalului n stare de echilibru fa de electrodul de hidrogen, n V, R 8,1439 - constanta gazelor perfecte, n J/grad mol, z - valena metalului, F 96493 Coulomb, T t 273,16 - temperatura absolut, n K, c concentraia ionilor metalici n electrolit.

Cnd electrodul (metalul) se gsete n condiii standard (T = 298 K , p = 1 at i o soluie n care concentraia metalului este egal cu 1mol/l), mrimea lui E0 poart numele de potenial standard.

czF

RTEE ln0

44

Potenialul i curentul de coroziune

nlocuind constantele cu valorile lor i trecnd de la logaritmul natural la cel zecimal, se obine pentru temperatura standard de 298 K urmtoarea relaie:

Din aceast relaie reiese c potenialul metalului este dependent de concentraia c a ionilor si n soluie.

Reaciile anodice i catodice sunt caracterizate printr-un curent anodic ia, respectiv catodic ic. n lipsa unui curent exterior se asigur permanent egalitatea:

ia ic 0

Diferena de potenial ntre metal i soluie pentru care se respect egalitatea de mai sus se numete potenial mixt E i valoarea lui se stabilete cu ajutorul relaiei lui Nernst, innd seama de activitatea ionilor metalici (reacia anodic) i de reducere a hidrogenului (reacia catodic):

cz

EE log,059150

0

Ea Eo zF

RTlog CM

Ec Eo zF

RTlog CH

-

Cele dou poteniale nu sunt egale, putnd exista situaiile:

Ea Ec sau Ea Ec

Curentul anodic ia (t) i cel catodic ic (t) variaz n timp deoarece intervine

modificarea valorilor lui C M i C H - , dar se menine relaia:

ia (t) ic (t) 0

45

Potenialul i curentul de coroziune

Experiena arat c imediat dup nchiderea circuitului electric prin soluia dintre anod i catod, mrimea curentului se modific i se stabilizeaz la o valoare practic constant. Aceast modificare se datoreaz polarizrii electrozi-lor. n

cazurile concrete, intervine fie o polarizare anodic a n sensul deplasrii potenialului ctre valori mai pozitive:

Ea E a

fie o polarizare catodic c, n sensul deplasrii potenialelor ctre valori mai negative:

Ec E c Procesele de electrod, care micoreaz polarizarea anodic, respectiv cato-dic, se numesc procese de depolarizare anodic, respectiv catodic. Substanele introduse n mediul coroziv care micoreaz polarizarea se numesc depolarizani.

Potenialul electrodului metalic nu poate fi msurat direct, ci prin intermediul unui electrod de referin al crui potenial se cunoate i rmne constant i bine definit. Din acest motiv, convenional s-a ales potenialul electrodului de hidrogen, care este egal cu zero i fa de care se stabilete potenialul standard al unui metal

Fora electromotoare E a unei pile format din electrodul de hidrogen i electrodul de referin este dat de relaia:

E = EH2 Eref = 0,05915pH Eref

Cunoscnd Eref i msurnd potenialul E se poate stabili prin calcul mrimea pH-ului soluiei:

pH = 16,906(E + Eref)

46

Potenialul i curentul de coroziune

Cei mai folosii electrozi de referin sunt: electrodul de calomel, electrodul de clorur de argint, electrodul de sulfat de cupru i electrodul de sulfat de zinc. Potenialele acestor electrozi de referin sunt prezente n raport cu potenialul de electrod standard al hidrogenului.

Soluia saturat de clorur de potasiu cu concentraia 0,1 N se obine prin dizolvarea a 7,45 g de KCl n 1000 cm3 de ap distilat.

n practica msurrii pe teren a potenialelor materialelor plasate n sol se folosete electrodul de referin Cu/CuSO4 (STAS 7335/477).

Potenialul electrodului Cu/CuSO4 n raport cu electrodul de hidrogen variaz cu temperatura i are urmtoarele valori:

0,307 V la 20 0C, +0,311 V la 22 0C,

+0,313 V la 24 0C, +0,314 V la 25 0C.

Potenialele electrozilor de referin

Electrodul de referin Potenialul la +25 0C

Calomel (Pt/Hg/Hg2Cl2) Soluie saturat n KCl E = +0,242 V Coeficientul de temperatur 0,65 mV/0C

Argint/Clorur de argint (Ag/AgCl)

Soluie saturat n KCl E = +0,250 V Coeficientul de temperatur 0,6 mV/0C

Cupru/sulfat de cupru (Cu/CuSO4)

Soluie saturat de CuSO4 E = +0,314 V

Zinc/sulfat de zinc (Zn/ZnSO4)

Soluie saturat de ZnSO4 E = +0,70 V

47

Potenialul i curentul de coroziune

Rezistena electric a electrodului Cu/CuSO4 fa de sol variaz ntre cteva

sute i 10000 i pentru a o reduce electrodul Cu/CuSO4 se aeaz pe sol uor bttorit i umezit.

Fa de electrodul nepolarizabil Cu/CuSO4, seria galvanic a unor materiale este prezentat n tabelul 1.5 Tabelul 1.5

Potenialul unor materiale n raport cu electrodul Cu/CuSO4

Material Potenialul,

n V

Magneziu tehnic 1,75

Aliaj de Mg (6 % Al, 3 % Zn, 0,15 % Mn)

1,60

Zinc 1,10

Aliaj de aluminiu (5 % Zn) 1,05

Aluminiu tehnic 0,80

Oel carbon cu calamin de laminare

0,5 la 0,8

Oel carbon cu strat de rugin 0,4 la 0,55

Font alb 0,50

Cupru, alam, bronz 0,20

Din acest tabel se observ c un oel cu suprafa curat, lipsit de calamina de laminare, este anodic n raport cu oelul ce prezint un strat de rugin. Acest aspect capt o importan deosebit cnd conductele sau rezervoarele se repar prin nlocuirea anumitor zone cu materiale noi. Noile zone nlocuite n prezena solului sau a unui lichid electrolitic se vor coroda mai rapid.

48

La interfaa metal - mediu apos acid au loc cele dou reacii, de ionizare a metalului i de depolarizare cu hidrogen, caracterizate prin curbe proprii de variaie a potenialului n funcie de curent. nsumnd cele dou curbe pariale se obine curba real de polarizare a materialului .

Potenialul de echilibru la care se desfoar procesul de coroziune este Ecor i acestuia i corespunde unui curent de coroziune icor.

Rezistena electric a mediului n care se desfoar coroziunea prezint o importan deosebit cnd procesul anodic nu se desfoar n imediata apropiere a celui catodic. Cderea de potenial E datorat rezistivitii mediului care separ anodul de catod va determina micorarea curentului de coroziune, respectiv a vitezei de coroziune.

Curba de polarizare n cazul reaciilor cu depolarizare prin hidrogen.

Influena rezistenei electrice a zonei ce separ anodul de catod.

Creterea prin diverse mijloace a rezistenei electrice a mediului sau a zonei care separ electrozii pilei galvanice, constituie o cale direct de reducere a vitezei de coroziune. Ideal este situaia cnd se asigur o cdere de potenial egal cu EeH EeM. Aceast deplasare a potenialului real de coroziune face obiectul proteciei electrochimice a metalelor contra coroziunii. In cazul n care prin sistemul electrochimic de coroziune trece un curent electric generat de o surs exterioar sau de nsi de sistem prin procesele de electrod, starea de echilibru a metalului se modific, potenialul lui deplasndu-se fa de valoarea de echilibru. n aceast stare se spune c electrodul s-a polarizat. La polarizarea catodic, potenialul se deplaseaz ctre valori mai electronegative i viteza de coroziune scade prin depolarizarea cu hidrogen.

49

Coroziunea prin depolarizare cu oxigen Coroziunea prin depolarizare cu oxigen este dirijat de viteza de difuzie a oxigenului prin

soluie. Toi factorii care intensific difuzia oxigenului sau care aduc n zona metalului o cantitate mai mare de oxigen (agitare, curgere turbulent, aerare forat etc.) contribuie la mrirea vitezei de coroziune.

Stratul de oxizi format pe suprafaa metalului frneaz deplasarea ionilor metalici i a sarcinilor electrice i contribuie la reducerea vitezei de coroziune. Acest proces caracteristic poart numele de pasivare.

n mediile acide oxidante, valoarea curentului de coroziune icor este dependent de mrirea concentraiei soluiei n oxigen.

Modificarea curentului de coroziune n funcie de concentraia n oxigen din mediile acide

Dac pe acelai metal exist zone cu concentraii diferite n oxigen, coroziunea se va concentra n zona mai srac n oxigen ca urmare a diferenei de potenial ce se creeaz. Se formeaz astfel aa numita pil galvanic de concentraie n oxigen sau de aerare difereniat. Drept exemple se pot da: construciile metalice imersate parial n ap, conductele subterane plasate n soluri cu permeabiliti diferite, fundurile rezervoarelor aezate pe sol umed etc.

50

Diagrama Tafel

032ii

a

a

alog

,log

032ii

c

c

clog

,log

Reprezentate grafic aceste ultime relaii reprezint dreptele lui Tafel anodic i catodic ce descriu limitele anodic i catodic a ecuaiei generale a lui Butler-Volmer. n figura este prezentat diagrama pe care sunt trasate dreptele Tafel. O asemenea reprezentare a lui log i n funcie de E servete la determinarea parametrilor cinetici ai coroziunii.

Potenialul de coroziune Ecor corespunde egalitii celor doi cureni i aceast situaie corespunde punctului de intersecie al dreptelor Tafel

51

Coroziunea prin pile de concentraie n oxigen

Coroziunea prin pile de concentraie n oxigen este caracteristic situaiei cnd electrolitul aflat pe suprafaa metalic prezint concentraii diferite n oxigen. Acestei forme de coroziune i se mai spune i coroziune prin aerare difereniat.

Zona metalului, aflat n contact cu electrolitul bogat n oxigen formeaz catodul, iar zona srac n oxigen, anodul. Viteza de coroziune va fi maxim acolo unde coninutul n oxigen este mai sczut.

Exemplele de manifestare a coroziunii prin aerare difereniat sunt numeroase. Cel mai simplu este cel al construciilor metalice parial imersate n ap, care se corodeaz puternic imediat sub linia de nivel, unde coninutul n oxigen este mai mic dect la suprafa. Alte exemple ar fi: mbinrile neetane ale profilelor plate, suprapunerile de materiale, pereii verticali ai rezervoarelor, exteriorul fundurilor rezervoarelor cilindrice verticale aezate pe sol, zona de ieire a conductei din sol etc.

Exemple tipice de manifestare a coroziunii creat prin aerare difereniat

52

Diagrama Pourbaix a fierului Diagrama Pourbaix, delimiteaz domeniile

definite de pH i potenial n care metalul este stabil sau nu din punct de vedere termodinamic.

n figura se prezint diagrama Pourbaix a fierului la temperatura normal, pe care sunt precizate reaciile ce intervin i domeniile de stare ale fierului.

Examinnd aceast diagram rezult trei posibiliti de protejare a fierului:

1 - creterea potenialului acestuia pentru a se ajunge n zona de pasivare, procedeu cunoscut sub numele de protecie anodic;

2 - folosirea unui mediu cu 10 pH 12;

3 - coborrea potenialului n zona de imunitate, procedeu denumit protecie

catodic.

53

Pasivarea metalelor i aliajelor Prin pasivare se nelege starea de rezisten ridicat la

coroziune a metalului altfel instabil, determinat de frnarea procesului anodic de dizolvare a metalului prin micorarea curentului de coroziune ca urmare a formrii unui strat protector, pasivant.

Pentru ca acest strat pasivant s fie protector trebuie s prezinte o aderen ridicat, o compactitate maxim i o rezisten electric mai mare dect metalul pe care-l acoper.

Convenional, pasivarea poate fi de natur chimic, electrochimic sau mecanic.

Pasivarea chimic are la baz oxidarea superficial a metalului. Oxidul format are caracteristicile unui semiconductor i potenialul la interfaa metal - soluie crete cu 0,3 - 2 V. Metalele cu tendin de pasivare sunt Fe, Cr, Al, etc.

Pasivarea electrochimic corespunde deplasrii potenialului n domeniul de pasivare al diagramei Pourbaix.

Pasivarea mecanic intervine cnd suprafaa metalic se acoper prin precipitare cu o sare dielectric, insolubil n electrolit.

Metalele, care n mod natural devin pasive, transmit aceasta calitate i aliajelor pe care le formeaz. Pe aceast baz sunt elaborate aliajele rezistente la coroziune cu un coninut ridicat n elemente pasivante.

Starea pasiv stabil se asigur numai n anumite condiii de mediu i temperatur. La creterea temperaturii, starea pasiv se menine numai prin creterea concentraiei n elemente pasivante. Un exemplu clasic este cel al oelurilor inoxidabile cu crom.

Prin polarizare anodic, densitatea de curent crete i materialul trece n soluie. Aceast zon a curbei este caracterizat ca fiind activ. Continund creterea potenialului se ajunge ca suprafaa s se acopere cu un strat pasivant, care conduce la scderea curentului de coroziune. Odat format un strat pasivant continuu, curentul de coroziune practic rmne constant, valoarea acestuia fiind ip. La poteniale foarte pozitive, materialul intr n zona de transpasivare cnd intervine dizolvarea peliculei protectoare i materialul

devine activ.

54

Factorii externi care influeneaz viteza de coroziune electrochimic

Factorii externi cei mai importani care influeneaz viteza de coroziune electrochimic sunt: compoziia mediului, temperatura i presiunea de lucru, viteza de curgere.

Mediul intervine prin valoarea pH-ului, coninutul n oxigen, dioxid de carbon, hidrogen sulfurat, concentraia n sruri Pentru fiecare metal exist un interval al valorilor de pH n care viteza de coroziune depinde puin de concentraia

ionilor de hidrogen din soluie. n acest interval, procesul de coroziune este dirijat de viteza de difuzie a oxigenului ctre suprafaa metalului. Oxigenul din soluie acioneaz n principal ca accelerator al procesului de coroziune. Coroziunea n ap se manifest mai intens la valori sczute ale pH-ului ca urmare a formrii acidului carbonic prin dizolvarea dioxidului de carbon din aer.

Materialul conductei

Viteza optim de curgere,

m/s

Viteza maxim

admis, m/s

Oel carbon 1,2 1,8

Cupru 0,8 1,2

Alam 0,9 1,5

Inox 18.8 2,3 2,8

Monel 3,0 4,5

Viteza optim i maxim admis de curgere a apei

prin conducte

55

Coroziunea n medii naturale

Coroziunea n medii naturale are la baz procesele prezentate anterior, cu particularitile caracteristice fiecrui mediu agresiv.

n mediile naturale, agenii corozivi pot fi: - gazoi: gaze diferite, cea etc; - lichizi: ape, soluii; - solizi: sruri, cenu, praf etc. Clasele de agresivitate, conform ISO 9223

se stabilesc n funcie de indicele gravimetric i indicele de penetraie.

56

Coroziunea n medii naturale

Coroziunea n ap tehnologic este cauzat de depunerile care se formeaz pe interiorul canalizaiilor. Calciul i magneziul constituie mineralele ce determin duritatea apei. Duritatea apei se exprim prin coninutul n CaCO3 ntr-un litru de ap. O unitate de duritate (do )se stabilete diferit n funcie de standarde. Astfel n Romnia i Frana 1 do = 10 mg CaCO3/l, n Anglia 1 d

o = 14,3 mg CaCO3/l, iar n SUA 1 do = 1 mg CaCO3/l. Dac pH-ul apei este relativ uor sub valoarea neutr, datorat n principal dizolvrii dioxidului de carbon, coroziunea este mai rapid i crete odat cu concentraia n oxigen. Prevenirea coroziunii circuitelor de ap sau de abur se asigur prin eliminarea oxigenului prin metode fizice sau chimice. Ca metod fizic se recomand degazarea termic sau sub vid, dar aceasta nu ajunge la ndeprtarea complet a oxigenului i dioxidului de carbon. Se continu cu tratamentul chimic folosind n principal hidrazina (N2H4). Din reacia cu oxigenul din ap rezult azot i o nou cantitate de ap:

N2H4 + O2 N2 + H2O Dac apa este mai nti degazat termic corespunztor, se recomand a se menine n exces o cantitate de hidrazin de 0,2 - 0,3 ppm. Apa cu un exces mai mare de hidrazin nu poate fi nclzit mai sus de 300 oC deoarece hidrazina se descompune rezultnd amoniac, produs ce corodeaz oelul. Orientativ, la tratarea apei se recomand o concentraie n hidrazin de max. 5 ori mai mare dect concentraia n oxigen dizolvat. Cantitatea de hidrazin adugat se stabilete n funcie de temperatura apei, respectiv de capacitatea acesteia de a dizolva oxigenul

57

Coroziunea n ap de mare

Coroziunea n ap de mare este generat de coninutul ridicat n sruri, gaze, microorganisme. Apa de mare se afl n continu micare i corodeaz puternic toate construciile metalice imersate sau aflate la suprafa.

Forma principal de coroziune este cea local, de tip pitting. n timp, punctele de coroziune se extind sub form de plgi, acoperind practic ntreaga suprafa metalic imersat sau udat periodic.

Marca

oelului

Adncimea de imersare,

n m

20 50

Viteza de coroziune, n

mm/an

OLT45 0,56 0,55

OLT65 0,33 0,31

J55 0,49 0,43

N80 0,42 0,41

Viteza de coroziune a oelurilor carbon n ap de mare

Variaia vitezei de coroziune pe adncimea apei de mare

58

2. Protecia conductelor contra coroziunii 2.1 Aspecte generale

Conductele sunt ansambluri de evi, piese fasonate i armturi montate pe traseu i servesc la vehicularea produselor lichide sau gazoase.

Din punct de vedere al destinaiei, conductele pot fi magistrale, tehnologice sau de distribuie. Conductele magistrale se caracterizeaz prin lungimi mari i diametre importante. Prin acestea se

transport la mari distane ieiuri, produse petroliere rafinate, gazele naturale purificate. Amplasarea conductelor magistrale poate fi subteran sau subacvatic i numai anumite zone pot fi

supraterane. Conductele magistrale sunt protejate la exterior prin sistemul pasiv i sistemul activ, iar n cazuri

speciale i la interior. Conductele destinate pentru transportul produselor petroliere lichide se realizeaz numai din evi

laminate, iar cele pentru gaze, din evi laminate sau cu sudur elicoidal. evile laminate se execut din oeluri carbon sau slab aliate cu mangan, n stare laminat sau

normalizat, cum ar fi: OLT35, OLT45, OLT65 (STAS 715/2-88), 35Mn14, 15VMn11, 20VMn12, 35MoMn14, 43MoMn16, 40VMoMnCr07 (STAS 791-88).

evile sudate elicoidal se execut din oeluri carbon OL 44.2 i OL 52.2 (STAS 6898/2-90) sau din oeluri din clasele de rezisten X42, X46, X52, X56, X60, X65 i X70 (STAS 11082-80).

evile destinate conductelor submarine au grosimea peretelui majorat fa de cele subterane. Conductele tehnologice leag ntre ele diferite instalaii sau utilaje i se caracterizeaz prin lungimi

relativ scurte i diametre mici i medii. Amplasarea lor poate fi subteran sau suprateran. Acestea sunt expuse n principal coroziunii interioare i se protejeaz cu precdere prin protecie

pasiv exterioar, i numai n unele situaii deosebite i prin protecie pasiv interioar. Conductele de distribuie formeaz n principal sistemul de alimentare cu gaze naturale.

Amplasarea acestora poate fi subteran sau suprateran. Protecia contra coroziunii se aplic la exterior.

59

2.2 Coroziunea exterioar a conductelor subterane Coroziunea n sol a conductelor din oel constituie o form deosebit de distrugere. Ea poate fi rezultatul

agresivitii solului, aciunii distructive a microorganismelor i aciunii curenilor de dispersie. Terenurile cele mai agresive sunt cele argiloase i cele care conin sulfai, cloruri, azotai, iar cele mai

puin agresive sunt cele calcaroase i cele nisipoase, dar i acestea pot deveni agresive dac apa din precipitaii dizolv srurile de la suprafaa solului.

Agresivitatea solului se stabilete n funcie de compoziia chimic i structura solului, pH-ul apelor din sol, rezistena electric specific aparent, potenialul conductei metalice fa de sol.

Umiditatea solului intervine direct n procesul de coroziune i aciunea ei este cu att mai puternic cu ct prin aceasta se asigur remprosptarea cu oxigen a zonei din jurul conductei.

Gradul de saturaie n umiditate a solului rs, definit ca raportul ntre coninutul n umiditate i volumul ocupat de pori pe unitatea de volum de sol. Dac rs se apropie de 100 nseamn c majoritatea porilor sunt umplui cu ap, schimbul de oxigen fiind foarte slab. Dac rs 40 60 %, viteza de coroziune este maxim deoarece porii nu sunt umplui n totalitate i apa care migreaz alimenteaz continuu cu oxigen suprafaa metalic. Dac rs tinde ctre zero, viteza de coroziune la nceput este mai mare, dar n timp se reduce.

Compoziia chimic a solului, pe lungimea unei conducte ngropate, variaz n limite foarte largi. Dintre ionii cei mai activi care se gsesc n sol la adncimea normal de amplasare a conductei sunt: Cl-, NO3

-, SO42-, HCO3

- etc., toi modificnd pH-ul apei. Materialele organice din sol, prin procesele de descompunere, elibereaz cantiti apreciabile de dioxid

de carbon, acizi organici, sulfai i hidrogen sulfurat, care coboar pH-ul pn la 4,5 5. Rezistivitatea solului pe traseul conductei trebuie cunoscut nainte de a se trece la proiectarea

construciei i a sistemului su de protecie, deoarece de mrimea acesteia depinde direct gradul de agresivitate a solului. Msurarea rezistivitii solului se face prin mai multe metode, dintre care cele mai uzuale sunt: metoda electrodului auxiliar, metoda celor 4 electrozi i metoda celor 2 electrozi.

Dac pe traseul conductei se constat variaii frecvente, n limite largi, ale rezistivitii solului, zona respectiv se consider ca fiind coroziv i aici trebuie dublat msurarea rezistivitii cu msurarea diferenei de potenial ntre sonda-electrod i sol.

Msurarea diferenei de potenial se face dup un timp de 48 ore de la amplasarea n sol a sondei-electrod pentru a se ajunge la polarizarea materialului acesteia.

60

Rezultatele obinute prin msurtori de rezistivitate pot fi alterate de variaiile de umiditate din sol. Se recomand ca msurtorile s nu se fac n perioade de secet sau nghe. Rezistivitatea maxim pe care o poate avea solul pe durata unui an max este dat de relaia:

max ms k1 k2

n care: ms este rezistivitatea msurat cu una din metodele prezentate mai sus, k1 - coeficientul de corecie ce ine seama de adncimea la care s-a fcut msurarea i de umiditatea solului, k2 - coeficientul de corecie ce ine seama de luna n care s-au fcut msurtorile.

Curbele de polarizare anodic i catodic permit o apreciere mult mai exact a agresivitii solului n punctul de msurare. Acestea se ridic prin msurarea potenialelor pe care le capt electrozii amplasai la aceeai adncime cu conducta. Electrozii sunt executai din acelai material cu conducta metalic. Dup nfigerea lor n pmnt se las un timp suficient de lung (cca. 1 lun) pentru a se stabili condiiile de contact cu solul similare cu cele al conductei ngropate. Urmeaz efectuarea montajului care cuprinde electrodul de referin ER, sursa de curent continuu E, poteniometrul, i instrumentele de msur pentru curent i tensiune. Modificnd curentul de polarizare se msoar variaia potenialului celor doi electrozi fa de electrodul de referin. Se traseaz apoi curbele de variaie ale tensiunii n funcie de curent pentru polarizarea anodic i catodic aplicat. n punctul de intersecie se traseaz tangentele la cele dou curbe, iar punctele n care aceste tangente ntlnesc axa curentului se citesc valorile Ia i Ic. Mrimea curentului de coroziune Icor se stabilete cu relaia:

II I

I Icor

a c

a c

61

Cu ct valoarea lui Icor este mai mare cu att solul este mai agresiv i de acest aspect trebuie s se in seama la stabilirea sistemului de protecie a conductei.

Schema de montaj pentru

trasarea curbei de polarizare

62

2.3 PROTECIA PASIV A CONDUCTELOR 2.3.1 Protecia pasiv exterioar

Protecia pasiv a unui metal const n separarea electrolitic cu ajutorul unei

acoperiri izolatoare, rezistente un timp ndelungat n mediul de lucru.

Pentru a obine o durat de serviciu optim, alegerea tipului acoperirii, realizarea acesteia i controlul dup aplicare sunt eseniale.

La conductele ngropate, rezultatele proteciei pasive sunt dependente de natura solului, tensiunile mecanice din perete, posibilitatea formrii de pile electrochimice, iar la cele imersate mai intervine i tipul apei.

Obiectivul principal al proteciei pasive este ca mpreun cu protecia catodic s asigure o durat de serviciu mai mare de 40 ani.

63

Sisteme de protecie a conductelor subterane

n cazul cel mai general, mecanismul de protecie pasiv prin acoperire depinde de natura materialului metalic, de sistemul de acoperire adoptat, de condiiile de lucru. n mod special, calitatea proteciei depinde de conducia ionic i porozitatea stratului constituit dintr-un polimer. n lipsa defectelor, ptrunderea ctre metal a compuilor agresivi are loc prin difuziune ionic i molecular.

Fenomenul de difuziune prin polimeri depinde n principal de gradul de reticulare i de gradul de cristalinitate i are la baz legile lui Fick. La straturile poroase, curentul electric de protecie catodic perturb difuzia prin fenomenul de electroosmoz. Dac se consider apa, difuzia pn la interfaa metal strat nu intervine dect n cazul unor defecte n stratul izolator.

Principalele sisteme de protecie pasiv exterioar aplicate conductelor subterane sunt urmtoarele: - crearea unui mediu artificial, cu caliti reductoare de coroziune, sistem ce are o aplicativitate

redus datorit costului foarte ridicat; - acoperirea cu bitum de petrol sau gudron de crbune, cu sau fr armtur din fibre de sticl

(filer), avnd la exterior un nveli din hrtie sau benzi din materiale sintetice; - acoperirea prin pulverizare cu materiale sintetice; - izolarea prin nfurarea la rece a evilor grunduite sau nu, cu benzi adezive din petrolatum sau

polimeri; - izolarea prin nfurarea la cald a evilor grunduite sau nu, cu benzi bituminoase; - izolarea prin nfurare cu benzi termocontractibile sau prin tragerea de tuburi termocontractibile; - acoperirea prin extrudare cu polietilen de nalt densitate, realizat n condiii de fabricaie la

evile ce urmeaz a forma conducta; - acoperirea suplimentar cu beton.

64

Sisteme de protecie a conductelor subterane

Alegerea unuia dintre sistemele de protecie pasiv prezentate se face pornind de la posibilitile de aplicare, mijloacele tehnice existente, costul planificat, durata de asigurare a proteciei, sigurana n exploatare etc.

Materialele destinate acoperirii exterioare se stabilesc n funcie de urmtorii parametrii: - caracteristicile tubulaturii; - condiiile locale ale amplasamentului conductei: - conducte subterane: natura, caracteristicile mecanice, fizico-chimice i microbiologice ale

solului, tensiunile mecanice din conduct create de sol, prezena curenilor de dispersie; - conducte imersate n ap: tipul i activitatea microbiologic ale apei, viteza de deplasare a

apei, solicitrile mecanice la amplasarea conductei; - conducte supraterane: tipul atmosferei, condiionarea sau nu a aerului din canale, tunele

sau subtraversri, ncastrare conductei n perei; - condiiile de vecintate ale conductei (formarea de macropile galvanice, interferena cu alte

structuri subterane protejate catodic); - accesul la conduct; - temperatura de serviciu; - temperatura ambiant i solicitarea mecanic la aplicarea acoperirii, pe durata transportului,

depozitrii i efecturii probelor hidraulice; - durabilitatea conductei i costul mentenanei; - aplicarea proteciei active (catodice); - condiiile economice.

Alegerea corect a sistemului de protecie nu este suficient dac nu se acord o atenie deosebit caracteristicilor materialelor de acoperire, tehnologiei de aplicare a acestora i controlului dup aplicare, toate n strns legtur cu durata planificat de exploatare a conductei.

65

PROTECIA CATODIC A CONDUCTELOR n cazul cel mai general, protecia catodic a unei structuri metalice aflat n

contact cu un electrolit const n deplasarea potenialului electric al acesteia la o

valoare mai negativ dect potenialului natural, astfel nct coroziunea s devin

termodinamic imposibil. Aceasta se realizeaz prin injecia de electroni ali dect cei

ce provin din distrugerea materialului metalic, ce poate neutraliza agresorii prin

convertirea lor n specii neofensive, iar efectul direct este cel de scdere a

potenialului. Scderea potenialului este un indicator al eficacitii proteciei catodice.

Viteza de coroziune n condiiile aplicrii corecte a proteciei catodice este de

ordinul 0,01 mm/an, iar cnd protecia catodic este insuficient, depete 0,3 mm/an

i poate atinge 1,2 mm/an cnd se afl sub aciunea curenilor de dispersie.

Protecia catodic const n furnizarea unei cantiti suficient de mari de

curent continuu astfel nct s fie posibil polarizarea ca urmare a deplasrii

potenialului conductei la valori mai electronegative dect potenialul pe care l capt

dup o perioad suficient de lung de contact cu solul sau apa [9, 20]. Prin aceast

polarizare se micoreaz valoarea curentului de coroziune. Potenialul pe care-l

cptat conducta trebuie s fie ct mai omogen repartizat pe ansamblul conductei.

Pentru un pH al electrolitului cuprins ntre 4 i 9, oelul are un potenial

electrochimic de 550 600 mV i se admite drept criteriu de protecie catodic

asigurarea unui potenial sub valoarea de 850 mV, msurat n raport cu electrodul

nepolarizabil Cu/CuSO4. Acest obiectiv nu poate fi ndeplinit n cazul conductelor ce

prezint ramificaii sau zone supraterane neseparate prin legturi electroizolante.

Protecia catodic asigur protecia suprafeelor exterioare ale construciilor

metalice ngropate n sol sau imersate n ap prin eliminarea atacului electrochimic al

mediului.

Protecia catodic, asociat cel mai frecvent cu o acoperire izolatoare, este n

mod obinuit utilizat pentru protejarea suprafeei metalice contra coroziunii. Aceasta

este eficace numai pentru zonele metalice aflate n contact permanent cu solul sau apa.

66

Potenialul standard minim de protecie, care stopeaz trecerea ionilor metalici

n soluie, corespunde cu limita superioar a domeniului de imunitate din diagrama

Pourbaix. Pentru fier, la temperatura de 25 0C, acesta are valoarea 0,440 V n raport

cu electrodul de hidrogen i i corespunde o densitate minim a curentului de protecie.

Densitatea de curent necesar proteciei se poate determina prin mai multe

metode.

O prim metod este cea electrochimic. Cunoscnd viteza de coroziune a

metalului n mediul n care lucreaz, densitatea teoretic necesar de curent este:

2/.

..cmA

Mt

nFvi

a

cor (6.1)

n care: vcor este viteza de coroziune n g/cm2.h, t - timpul n s, Ma - masa atomic a

metalului (MFe = 55,847 ), F 96500 A.s (Coulomb) - constanta lui Faraday, n

valena metalului, sau mai exact grupa principal de oxidare a metalului (nFe = 2). Coroziunea nceteaz cnd se va aplica un curent cel puin egal cu cel calculat cu

aceast relaie, dar de sens contrar.

O alt metod const n aplicarea pe metalul imersat n electrolit a unui curent

electric cresctor i msurarea potenialului acestuia. Pe curba de polarizare se traseaz

potenialul de imunitate (fig. 6.1) i acestuia i corespunde intensitatea curentului de

protecie. n cele mai multe situaii curentul astfel determinat are valoarea maxim

deoarece este independent de timp.

Fig. 6.1. Curentul maxim de coroziune

n raport cu potenialul de imunitate.

67

Mrimea curentului de protecie stabilit prin aceste dou metode este diferit de

mrimea real necesar, deoarece nu s-a inut seama de ali factori care intervin n

procesul de coroziune, cum ar fi temperatura, starea de micare a fluidului agresiv,

prezena sau absena unui strat izolator, activitatea microorganismelor, starea de

tensiuni etc.

Dac nu se dispune de valori stabilite n condiii ct mai apropiate de cele reale,

n calculele preliminarii de proiectare a proteciei conductelor din oel se pot folosi

densitile de curent ip prezentate n tabelul 6.1.

Densitatea de curent aplicat metalului nu trebuie s fie exagerat de mare

deoarece se ajunge la fisurarea i dezlipirea catodic a stratului de protecie pasi-v

prin degajarea unei cantiti mari de hidrogen. O densitate prea mic nu asigu-r dect

o protecie parial a metalului.

Protecia catodic d satisfacie dac se asigur continuitatea electric a

conductei. Continuitatea se asigur prin:

- realizarea conductei prin sudarea cap la cap a evilor;

- untarea mbinrilor nesudate, cu excepia celor electroizolante;

- untarea vanelor, cu excepia celor de golire;

- untarea mbinrilor electroizolante care izoleaz vanele i alte aparate

hidraulice legate la pmnt, ca msur de securitate;

- izolarea fa de rezervoare, pompe sau alte construcii metalice realizate din acelai material sau din materiale diferite (font, cupru, oel galvanizat).

untarea se realizeaz cu un cablu flexibil din cupru izolat avnd seciu-nea de 10

mm2 la conductele cu DN 200 mm i cu dou cabluri de cte 10 mm

2 fiecare la conductele

cu DN > 200 mm. Operaia de lipire a cablului la conduct nu trebuie s modifice

proprietile oelului i s nu afecteze eventuala protecie interioar. Dup lipire mbinarea se

izoleaz prin acoperire i aplicare de benzi anticorozive.

68

Mediul de lucru Protecia pasiv existent Densitatea de curent recomandat, ip, n

mA/m2

Sol neutru steril Fr protecie 4,3 16,2

Sol neutru aerat Fr protecie 21,5 32,4

Sol uscat aerat Fr protecie 5,5 16,5

Sol umed Materiale sintetice

Bitum cu fibre de sticl

Bitum sau gudron de crbune

Iut impregnat cu bitum

Fr protecie

10-3 10-2

10-2 10-1

0,2 1,6

4 60

25 100

Sol cu aciditate ridicat Fr protecie 55 160

Sol cu bacterii sulfat-reductoare Fr protecie 400 500

Ap de ru Vopsea de calitate

Vopsea veche

Fr vopsea

0,04 0,6

0,2 8

20 500

Ap dulce staionar Cu strat de carbonai

Fr vopsea

90 110

250 345

Ap dulce n micare turbulent Fr vopsea 55 450

Ap de mare

Vopsea de calitate

Vopsea veche

Fosfatare

Vopsea + bitum

Vopsea + materiale plastice

Fr protecie

0,2 30

20 1000

25 70

0,5 5

0,05 0,5

200 1000

Densitatea necesar de curent pentru protecia catodic a conductelor

69

Protecia catodic, conform SR 7335-12:1998, se aplic tuturor conductelor,

indiferent de diametru sau lungime, care sunt amplasate n:

- subsolul localitilor, zonelor industriale;

- zone unde acioneaz curenii de dispersie;

- soluri sau ap cu rezistivitatea electric mai mic de 20 .m i/sau cu pH > 9

sau pH < 6;

- transport fluide poluante, toxice, combustibile sau explozive.

Deplasarea potenialului n domeniului de imunitate se poate realiza prin:

- ataarea metalului consumabil a unui metal mai puin nobil, numit anod

galvanic, ce se corodeaz n locul acestuia; potenialul materialul anodului galvanic

trebuie s fie mult mai cobort dect a metalului de protejat.

- injectarea unui curent prin intermediul unui metal consumabil, tensiunea

impus fiind suficient pentru a plasa oelul n domeniul su de protecie.

Realizarea proteciei catodice a conductelor metalice ngropate se face

conform prevederilor standardului EN 12954:2001, respectnd normele tehnice NT

DPE 01/2004 i NT DE 01/2004. La aceste normative se adaug tehnicile de

msurare aplicabile proteciei catodice prEN 13509 i protecia fa de curenii de

dispersie prEN 50162.

70

Avantajele economice ale proteciei catodice a conductelor

Protecia catodic asigur o durat normat de exploatare a conductelor cu mult mai

mare dect a celor neprotejate. Astfel, o conduct corect protejat catodic poate fi

exploatat n deplin siguran un timp de 50 65 ani, pe cnd una neprotejat, de

maximum 30 ani.

Protecia catodic este recunoscut ca metod ce limiteaz spargerea, fisurarea

sau ruperea pe durata de exploatare a conductelor i eficacitatea ei este dependent de

condiiile n care lucreaz conducta, de calitatea lucrrilor efectu-ate la instalare, de

modul cum este supravegheat n timp etc.

O analiz a aplicrii proteciei catodice la conductele existente, indic avantaje

ceva mai mici, deoarece intervin costul lucrrilor de pregtire a conduc-telor, refacerea

izolaiei i mrirea numrului de staii sau anozi galvanici ca urmare a strii slbite a

izolaiei.

Dac la o conduct aflat n exploatare i se aplic protecia catodic dup un

numr de ani i se nregistreaz n timp defectele constatate se obine o curb similar

cu cea prezentat n figura 6.2. Pe diagram se remarc existena a trei perioade mult

diferite.

n perioada I, cnd conducta nu a fost protejat catodic, numrul de defecte

crete continuu n timp dup o lege aproximativ exponenial i nu n puine situaii se

ajunge la producerea de avarii. Cheltuielile pentru rezolvarea defectelor din aceast

perioad cresc permanent, ajungndu-se la un moment dat la situaia cnd conducta nu

mai prezint siguran n exploatare i trebuie nlocuit.

Perioada II corespunde timpului scurs imediat dup aplicarea proteciei catodice

ce poate fi considerat ca o perioad de tranziie. Pe aceast perioad numrul

nregistrat de defecte scade puternic, dar anumite sectoare ale conductei prezint deja

deteriorri ce nu pot fi rezolvate prin protecie catodic ci numai ntrziate de a se

manifesta.

n perioada III, dup rezolvarea defectelor majore ale perioadei de tranziie, numrul

de defecte nregistrate crete lent ca urmare a unor procese de mbtrnire. Pentru a

menine un ritm lent de degradare trebuie verificat perio-dic calitatea proteciei

catodice i la nevoie se intervine pentru nlocuire.

Variaia n timp a numrului de defeciuni

Costul rezolvrii defectelor

71

Curbele din figura 6.3. prezint variaia costurilor de rezolvare ale defectelor

pe durata complet de exploatare a unei conducte la care s-a aplicat protecia catodic

dup diferite perioade de la punerea n funciune. n cazul n care nu se aplic protecia

catodic, dup o anumit perioad de exploatare costurile de rezolvare ale defectelor

cresc rapid. Costul total este reprezentat de o curb convex al crui minim corespunde

momentului ideal de nlocuire a conductei i corespunde sfritul vieii sale

economice. Dac de la punerea n funciune a conductei se aplic protecia catodic,

costurile de rezolvare a defectelor scad rapid la nceput, dup care tind ctre o valoare

constant. Cnd protecia catodic se aplic tardiv, dup o perioad mare de la darea n

exploatare a conductei, costurile scad i tind ctre o valoare constant, dar superioar

celei obinute la conducta care de la nceput i s-a aplicat protecia catodic.

Eficacitatea economic a proteciei catodice poate fi afectat de:

- degradarea local a izolaiei exterioare pe durata realizrii conductei;

- mbtrnirea izolaiei;

- modificarea rezistivitii solului ca urmare a polurii accidentale sau a

modificrii nivelului apei freatice;

- interferena cu conductele protejate catodic aflate n apropiere;

- existena unor surse apropiate de cureni de dispersie . a.

Ameliorarea eficacitii proteciei catodice a conductelor subterane se obine

prin msurarea continu a parametrilor asigurai de staia de injecie a curentului,

detectarea continu a variaiilor de potenial determinate de condiiile meteorologice

sau de aciunea vecintilor i transmiterea la unitatea central de supraveghere.

Sistemele automate de msurare i teletransmitere a datelor sunt montate n

punctele cele mai sensibile ale conductei. Datele transmise sunt prelucrate i

prezentate sub form de tabele sau grafice. Tot odat, sistemele automate asigur

avertizarea i acionarea n cazul unor abateri anormale fa de potenialul de referin

sau dac acioneaz curenii de dispersie ce nu sunt drenai corespunztor de sistemul

adoptat.

72

Criterii de alegere a sistemului de protecie catodic pentru conductele subterane

n practica proteciei catodice se folosesc dou sisteme: cu anod galvanic i cu injecie

de curent.

Criteriile care stau la baza alegerii sistemului de protecie catodic sunt:

- rezistena electric a solului;

- starea izolaiei existent pe conduct;

- costul proteciei.

Pentru o rezisten electric a solului mai mic de 2500 /cm, se recomand

sistemul de anozi galvanici, iar la o rezisten electric mai mare de 2500 /cm sau

pentru o arie mare expus coroziunii se impune sistemul de protecie cu staie de

curent.

Cheltuielile pentru realizarea proteciei catodice la conductele magistrale cu

staie de curent reprezint 1-3 % din valoarea investiiei, pe cnd la folosirea anozilor

galvanici, acestea ajung la 10-15 %.

La aplicarea acestor dou sisteme de protecie se constat:

a) sistemul cu anozi galvanici:

- costul sistemului (anozi, foraje, montaj) este foarte ridicat;

- numrul de anozi este mare i crete odat cu nrutirea strii tehnice a

izolaiei;

- repararea sau nlocuirea anozilor este o operaie care presupune accesul direct

la suprafaa conductei, cablul de legtur fiind sudat la conduct;

- supravegherea i ntreinerea sunt operaii delicate, inspecia asupra strii

anozilor fcndu-se cel mai trziu la intervale de 1 - 2 ani;

- protecia catodic este asigurat pn la un consum de 75 % din masa iniial

a anodului dac nu intervin reacii secundare de blocare.

b) sistemul de protecie cu surs exterioar de curent:

- necesit o surs de putere, relativ scump;

- folosete un ansamblu de anozi, care asigur distribuia curentului pe conduct

n limitele potenialului de protecie;

- sistemul este flexibil, el permind modificarea densitii de curent n timp i

n funcie de starea izolaiei;

- poate lucra n regim automat;

- cheltuielile de ntreinere i reparare ale sistemului sunt reduse;

- supravegherea este asigurat de personal specializat.

73

Criterii de alegere a sistemului de protecie catodic pentru conductele subterane

Indiferent de sistemul de protecie catodic adoptat, trebuie s se asigure permanent

potenialul de protecie al conductei. Curentul de protecie catodic se transmite de la

anod la conduct prin sol, ceea ce face s se formeze un cmp i un gradient de

potenial supuse legii lui Ohm. Din acest motiv, toate msurtorile de potenial, cnd

staia de protecie catodic este conectat (ON), sunt afectate de cderea ohmic R x I.

Utilizarea criteriului -850 mV fa de electrodul Cu/CuSO4 rmne n practic

foarte delicat deoarece nu se cunoate cu exactitate cderea de tensiune prin sol. n

plus, cderea de potenial ntre anod i catod (conduct) este puternic influenat de

variaia temperaturii, structura i compoziia solului, topografia locului, de existena

defectelor de izolaie etc. Toate acestea fac s scad curentul de protecie catodic

pentru a cobor suficient potenialul metalului pentru a se plasa n domeniul de

imunitate din diagrama Pourbaix.

Pentru conductele din oel, potenialul OFF trebuie cobort sub -850 mV n

raport cu electrodul de referin Cu/CuSO4. Potenialul OFF semnific faptul c

potenialul luat n consideraie pentru criteriul de protecie nu poate include cderea

ohmic din circuitul de trecere a curentului n sol, care are o oarecare rezistivitate i

din acest motiv msurarea potenialului se face imediat dup ntreruperea curentului

(curentul I = 0, iar produsul R x I = 0).

n condiiile mbuntirii deosebite a calitii materialelor de izolare exterioar

a conductelor, devine din ce n ce mai dificil de a atinge potenialul OFF egal cu -850

mV imediat dup ntreruperea curentului. n acest caz, se folosete drept criteriu al

calitii proteciei depolarizarea de maximum 100 mV. Aceast depolarizare este dat

de diferena ntre potenialul OFF i potenialul dup un anumit timp de depolarizare,

de ordinul 1 la 4 ore. Durata de depolarizare nu este impus prin norme, ea depinznd

de mediu, izolaie, timpul ct conducta a fost polarizat etc.

74

Datele necesare proiectrii proteciei catodice Pentru a se trece la proiectarea proteciei catodice a conductei subterane, n prima

etap se stabilesc i se analizeaz:

- agresivitatea solului;

- sursele existente de cureni de dispersie pe ntregul traseu al conductei;

- poziia conductei fa de alte conducte sau construcii metalice ngro-pate din

vecintate;

- caracteristicile izolaiei exterioare;

- legturile pe care le va avea conducta cu alte construcii metalice etc.

Referitor la construciile metalice ngropate neprotejate catodic se au n vedere

cele aflate la distan mai mic de 300 - 500 m n afara localitilor i de pn la 100 m

n localiti.

Dac pe traseu exist conducte sau construcii ngropate protejate catodic, se

analizeaz influena proteciei aplicate dac acestea se afl la distane relative mai mici

de 300 - 1200 m.

Din enumerarea datelor necesare proiectrii proteciei catodice se constat c

foarte multe dintre acestea nu pot fi obinute dect prin msurtori efectuate pe traseul

conductei. n analiza efectuat nu trebuie neglijate modificarea n timp a

caracteristicilor solului i degradarea izolaiei exterioare.

Adesea se recurge la folosirea staiilor mobile de protecie catodic pentru a se

stabili curentul de protecie astfel nct potenialul maxim din punctul de injectare s

nu depeasc valoarea admis.

Pentru conductele vechi, cu protecii degradate, metoda de stabilire a curentului

de protecie cu staie mobil este singura ce d rezultate sigure.

75

Etapele proiectrii proteciei catodice cu anozi activi

Anozii activi realizai din anumite materiale trebuie s asigure

conductei metalice un potenial care s anuleze curentul anodic ce face

ca metalul s treac n soluie. Pentru a micora consumul de curent,

respectiv consumul de anod, conducta subteran trebuie s fie ct mai

bine izolat la exterior.

Protecia catodic cu anozi activi se recomand n soluri cu

rezistivitatea mai mic de 2500 3000 cm sau cnd: -local, nu exist o surs de curent;

-local, exist o aglomerare de alte conducte sau construcii ntre

care nu trebuie s se manifeste fenomenul de interferen.

La stabilirea unui asemenea sistem de protecie trebuie s se aib

n vedere i urmtoarele aspecte tehnico-economice:

-necesit un timp mare pentru verificarea potenialului asigurat;

-costul proteciei conductelor neizolate este ridicat;

-consumul de anozi pe traseul conductei este difereniat n func-

ie de condiiile locale;

-nlocuirea anozilor consumai se face cu dificultate.

Proiectare proteciei catodice cu anozi activi a conductelor

subterane, acoperite cu diverse materiale de izolare, lipsite de interco-

nexiuni cu alte conducte sau structuri metalice, presupune parcurgerea

urmtoarelor etape:

1-msurarea rezistivitii solului la adncimea de pozare a con-ductei,

de-a lungul ntregii conducte, prin metoda cu 4 electrozi (metoda

Wenner);

2-stabilirea zonelor cu agresivitate maxim, unde solul bogat n sruri

are un caracter catodic n raport cu cel vecin, srac n sruri i unde

trebuie ntrerupt continuitatea electric a conductei prin amplasarea

unei izolaii electrice;

76

3-separarea electric a tronsoanelor care necesit densiti diferite

de curent, cauzate de calitatea i vrsta diferite ale izolaiei sau de

diametrele diferite ale conductei;

4-calculul rezistivitii medii a solului la nivelul fiecrui tronson

de conduct;

5-stabilirea necesarului de curent specific pentru protecia catodic

pornind de la datele anterioare i specificaiile referitoare la

izolarea exterioar.

6-stabilirea distanei ntre anozii multiplii;

7-determinarea numrului de anozi, care constituie un amplasament

multiplu, n funcie de cantitatea de curent necesar, rezistivitatea

solului i durata de asigurare a proteciei;

8-verificarea potenialului conductei pe durata a ctorva sptmni

pn ce potenialul se stabilizeaz i pentru confirmarea

compatibilitii proteciei catodice cu protecia pasiv existent.

Curentul ce trebuie asigurat de un singur anod activ pentru a

proteja un tronson de conduct perfect izolat fa de sol, plasat

simetric fa de cele dou joante izolante de la capete, este dat de

relaia:

AkrRlrr

EEI

seaca

ca

c

1

n care: Ec este potenialul conductei fa de sol, n V; Ea - potenialul

anodului activ, n V; rca - rezistena circuitului de legtur a anodului

cu construcia metalic, n ; ra - rezistena de contact a anodului cu

solul din jur sau rezistena de mpmntare, n ; r - rezistena

electric a conductei metalice, pe unitatea de lungime, n /m; Re rezistena electric a izolaiei conductei ngropate pe unitatea de

lungime, n /m; s - rezistivitatea solului, n m; k - factorul de corecie dependent de r, Re i de distana La dintre anod i construcia

de protejat, n m; l - semilungimea tronsonului cuprins ntre joantele

izolate sau ntre punctul de injecie a curentului i punctul cel mai

ndeprtat unde se atinge valoarea minim a potenialului de protecie.

77

Rezistena circuitului de legtur a anodului cu conducta metalic

rca se stabilete cu relaia:

c

c

cacaa

lr

n care: lc este lungimea cablului de legtur, n m; ac - aria trans-

versal a cablului, n mm2; ca - rezistivitatea materialului cablului,

(Cu 0,0175), aluminiu (Al 0,027), oel (oel 0,135), n mm2/m.

Potenialul aplicat conductei nu trebuie s fie prea apropiat de

cel de degajare a hidrogenului. Diferena ntre aceste dou poteniale se

poate scrie sub forma:

E = i.l.k.s 0,2 V

n care: l este lungimea caracteristic; k - un coeficient ce depinde de

dispunerea anozilor; i - densitatea de curent pentru protecie; s rezistivitatea solului dintre anozi i conduct.

Pe lungimea conductei potenialul variaz n funcie de distana

distan d dintre anozi i conduct i de distana c dintre ei. Pentru

rapoarte d/c 0,01, k = 1 i lungimea caracteristic pe care se asigur protecia conductei devine egal cu c.

n practic, anozii se instaleaz de o parte i de alta la o

distan de conduct 12 15 m avnd centrul la adncimea axei conductei.

Cnd necesarul de curent este asigurat de mai muli anozi, se procedeaz

la legarea lor n serie.

Procedeul de protecie catodic cu anozi activi este recomandat a

fi asociat cu tronsonarea conductei prin jonciuni izolante.

Devine obligatorie montarea jonciunilor izolante la traversarea pe

poduri sau estacade metalice, la traversarea cilor ferate electrificate,

a cablurilor electrice subterane, a apelor curgtoare.

Nu n puine situaii se ajunge la nlocuirea unui tronson n

conduct protejat catodic. Necesarul de curent al acestui tronson nou

este mai mare dect restul conductei i pe lungimea acestuia se plaseaz

n plus 2 4 anozi pentru a asigura curentul necesar.

78

Curentul injectat de un anod n conducta subteran

Curentul pe care-l poate injecta un anod n conducta de protejat

catodic este dependent de o serie de factori legai construcie,

material, condiii locale etc.

Curentul necesar proteciei catodice depinde n primul rnd de

starea izolaiei exterioare.

Dac procesul de coroziune este cu degajare de hidrogen, densitatea

de curent necesar este dependent de pH-ul soluiei apoase din sol. Dac

procesul de coroziune este dirijat de oxigen, ca n cazul solurilor

aerate, valoarea densitii de curent este n mai mic msur dependent

de pH.

Pentru o vitez de coroziune admis de ordinul a 1 g/m2.zi

densitatea minim de curent de protecie este de 40 mA/m2, iar pentru

conducta neizolat amplasat n sol omogen, aerat i umed, densitatea

necesar de curent este de 100 200 mA/m2.

n timp intervine mbtrnirea izolaiei exterioare, care modific

rezistivitatea acesteia. Cu ct trebuie majorat curentul de protecie se

stabilete prin msurtori. La cca. 3 4 m distana de conduct se

introduc 3 4 bare de oel nseriate la care se leag polul pozitiv al

unei staii mobile de protecie catodic (fig. 4). Prin staia mobil se

d atta curent barelor din oel nct voltmetrul s indice un potenial

al conductei de 0,85 V i se noteaz valoarea corespunztoare a

curentului debitat. Mrimea acestui curent se compar cu cea a celui

asigurat de instalaia de protecie i n funcie de rezultat se

corecteaz alimentarea.

Fig. 4. Schema de montaj la folosirea staiei mobile de curent

79

Cantitatea de curent debitat de un anod este legat direct de

rezistena de punere la pmnt a acestuia:

AkR

EI

p

a

a

n care: Ea este tensiunea electromotoar