Conceito
A proteção catódica é um processo de controle de corrosão de superfícies metálicas enterradas ou submersas.
Consiste basicamente de uma célula eletroquímica ou eletrolítica cujo catodo é a superfície a ser protegida.
Denomina-se por célula eletrolítica o dispositivo usado para a decomposição mediante a corrente elétrica de corpos ionizados denominados eletrólitos, ou seja, transforma energia química em elétrica.
Os eletrólitos podem ser ácidos, bases ou sais. O processo de dissociação ou decomposição realizado na célula eletrolítica é chamado de eletrólise.
O processo de proteção catódica é uma consequência do próprio processo de corrosão eletroquímica, o qual ocorre devido a existência no material metálico de áreas anódicas e áreas catódicas.
A corrosão se processa através do fluxo de corrente contínua de uma área para outra, com a complementação do circuito através do eletrólito que circunda o material.
Como resultado, tem-se o desgaste da área anódica e a consequente proteção da área catódica.
Como as partes corroídas e as partes protegidas pertencem ao material da mesma estrutura, o fenômeno da corrosão é indesejável pelo desgaste que ele promove.
Usando o mesmo princípio da corrosão eletroquímica toma-se possível, entretanto, fazer com que toda a estrutura que se deseja proteger contra a corrosão seja uma área catódica (não sofre desgaste), transferindo as áreas anódicas para outro material de pequeno desgaste ou de desgaste controlado.
Aplicação
O processo de controle da corrosão por proteção catódica aplica-se a toda e qualquer estrutura metálica enterrada ou submersa. Não se aplica, portanto pela sua própria natureza a superfícies aéreas ou completamente isoladas do meio eletrolítico (eletrólito).
É evidente que a proteção catódica poderá ser empregada numa instalação aérea na qual circule eletrólito no seu interior, porque neste caso as partes internas onde efetivamente se quer proteger estão submersas.
Como exemplos de instalações as quais se pode aplicar proteção catódica com bons resultados, temos entre outras:
Tubulações: parte externa e interna quando conduz eletrólitos
Oleodutos, gasodutos: parte externa (terrestre e submarinas)
Tanques de armazenamento: parte externa do fundo e interna do fundo e costado
Embarcações
Instalações portuárias
Cabos encamisados com material metálico
Estacas metálicas de fundações e piers
Instalações industriais: trocadores de calor, resfriadores, etc.
Boias (sinalização, amarração e atracação)
Plataformas marítimas de perfuração
Plataformas fixas de produção
Navios sondas e plataformas semissubmersíveis
V = fonte de energia que estabelece uma diferença de potencial entre a área anódica (artificial) e a estrutura a proteger. Pode ser uma fonte de corrente contínua ou de ânodos reativos.
Os custos mencionados anteriormente se computados e comparados anualmente com as perdas por corrosão principalmente em presença de eletrólitos altamente corrosivos e/ou correntes de interferência, serão sempre extremamente mais baixos.
Aspectos Econômicos
O custo da corrosão tem sido uma constante preocupação dos técnicos dos diversos ramos industriais, pelo que ela representa a cada ano em termos de perda de material, custos de manutenção, lucros cessantes pela parada de equipamentos, problemas de poluição e principalmente pelos riscos de acidentes ocasionados pela falha de equipamentos contendo produtos inflamáveis ou altamente corrosivos.
A aplicação da proteção catódica se contrastada com os custos da corrosão, nos casos em que ela é aplicada, quase sempre constituindo fração muito pequena daqueles custos, além de constituir uma segurança operacional muito grande, pela certeza de não se ter falha no equipamento por corrosão, no seu período de operação programada.
Em termos de investimento, se comparado ao preço global de uma obra, o custo de proteção catódica quando devidamente estudada, varia de 0,3 a 1,5 % do investimento global a depender das premissas adotadas no dimensionamento e do grau de sofisticação que o sistema possua.
Na determinação dos custos de um efetivo controle de corrosão, deverão ser considerados, entre outros, os seguintes elementos:
Custos da instalação inicial (investimento)
Custo de levantamentos, estudos e projetos
Custo de materiais
Custo de instalação e ajustes
Custo de acompanhamento (manutenção)
Custo de inspeção e manutenção
Custo das correções ao longo do tempo (instalação de equipamentos adicionais)
Mecanismo
Para explicar o mecanismo da proteção catódica, ou seja, como ela atua para prevenir a corrosão, será visto inicialmente como a corrosão eletroquímica ocorre, para em seguida, se estender o conceito à proteção catódica.
A corrosão eletroquímica se verifica sempre que em uma estrutura metálica em contato com eletrólito, apareçam pilhas ou células de corrosão (aparecimento de áreas anódicas e catódicas).
As pilhas de corrosão sempre existem no material metálico, sendo suas causas principais a dissimilaridade de metais, impurezas, tensões internas, aeração diferencial, diferença na composição química do eletrólito, etc.
Com o aparecimento das áreas anódicas e catódicas em presença do eletrólito têm-se um fluxo de corrente como mostrado anteriormente, que constitui o processo de corrosão eletroquímica.
Se, por um processo artificial, ambas as áreas forem transformadas em catódicas, transportando-se a área anódica para uma superfície concebida para este fim, deixando de existir a diferença de potencial entre as duas áreas do material metálico, deixará de existir também o fluxo de corrente e portanto o processo corrosivo.
A seguir é descrito um esquema simplificado da aplicação de proteção catódica.
Da célula eletroquímica ou eletrolítica artificial criada surgem as seguintes consequências que conduzem o metal à proteção:
O potencial do metal é diminuído de tal forma que todas as áreas tomam-se catódicas.
Numa superfície catódica só há reações de redução, logo jamais haverá a reação de dissolução do material metálico ( M -> M^(n+)+ne) que é uma reação de oxidação.
A reação de redução mais frequente é: 2H^+ -> H_(2-)
Há uma elevação do pH em torno do catodo que favorece a imunidade do metal.
Inicia-se um processo de polarização da superfície metálica pelos seguintes meios:
a) Polarização por ativação - devido à sobre voltagem do hidrogênio que é liberado e absorvido em parte no catodo.
b) Polarização ôhmica - pela precipitação de compostos insolúveis tais como CaCO_3 e Mg(OH)_(2-), onde ocorre a formação da chamada camada calco magnesiana no entorno dos anodos.
Tipos de proteção
Para obtenção da proteção catódica de uma estrutura existem dois processos, os quais se fundamentam no mesmo princípio, qual seja a obtenção da proteção pela injeção de corrente na estrutura através do eletrólito. Os dois sistemas são
Proteção catódica galvânica
A corrente elétrica origina-se da força eletromotriz (fem) existente entre o metal a proteger e outro escolhido para anodo, e que ocupa uma posição mais elevada na tabela de potenciais eletroquímicos.
Na prática, os materiais metálicos usados como ânodos são ligas de Zn, Al e Mg, por estarem entre os que apresentam maior diferença de potencial em relação aos metais comumente usados, principalmente o aço.
Em virtude das diferenças de potenciais galvânicos serem relativamente pequenos, em geral não superior a 1,2 V, dependendo naturalmente do par galvânico considerado para que se tenha uma injeção de corrente capaz de proteger a estrutura, é necessário que a resistência global do circuito seja baixa.
Deste fato resulta que a proteção catódica só é eficaz em eletrólitos de baixa resistividade, como por exemplo, a água do mar e solos de até 3.000 Ohm.cm de resistividade.
A figura abaixo mostra de forma esquemática a proteção galvânica.
Proteção Catódica por corrente impressa
Neste sistema a corrente elétrica origina-se da força eletromotriz de uma fonte geradora de corrente contínua (retificador, bateria ou gerador), utilizando um dispersor de corrente no eletrólito constituído de ânodos inertes (chamado leito de anodos).
A grande vantagem do sistema consiste no fato de que a fonte geradora poderá Ter a potencia que se deseja, bem como a f. e. m pretendida, em função das condições de resistividade do eletrólito. Isto permite que a proteção catódica por corrente impressa se aplique a todos os casos, para estruturas situadas em eletrólitos de baixa, alta e altíssima resistividade.
As fontes geradoras de uso de corrente, na prática, são os retificadores, os quais são alimentados em corrente alternada que, depois de retificada, é usada nos sistemas de proteção catódica.
O leito de anodos para dispersão da corrente no eletrólito constitui-se de modo geral, de ânodos inertes, instalados numa configuração apropriada ao tipo de sistema.
Os materiais usados para anodos são os mais diversos e deverão ser empregados de acordo com o tipo de eletrólito, considerando sempre o menor desgaste possível (menor perda de massa por ampere/ano).
Os seguintes materiais são de usos mais comuns como anodos, em proteção catódica por corrente impressa:
No uso do sistema de proteção catódica por corrente impressa, é extremamente importante considerar que o polo negativo da fonte geradora deve ser ligada a estrutura a proteger e o polo positivo ao leito de anodos e em hipótese alguma, esta polaridade deve ser invertida sob pena de ter uma corrosão super acelerada na estrutura.
A figura a seguir mostra esquematicamente um sistema por corrente impressa.
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