Prevenzione della Corrosione

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1 DL MK1 BANCO DI LAVORO PER LA PROTEZIONE CATODICA La Protezione Catodica è una tecnica di controllo della corrosione di una superficie metallica facendola funzionare come il catodo di una cella elettrochimica. Questo si ottiene mettendo in contatto con il metallo da proteggere un altro metallo più facile alla corrosione che funge da anodo della cella elettrochimica. I sistemi di Protezione Catodica vengono usati, nella maggior parte dei casi, per proteggere tubazioni o serbatoi in acciaio per trasporto di acqua o carburanti, piloni di pontili in acciaio, navi, piattaforme offshore e pozzi onshore.

2 1. SOMMARIO Questo documento descrive un trainer per lo studio della Protezione Catodica. Viene fornita una lista di esperimenti che servono ad introdurre lo studente all analisi del controllo della corrosione dei metalli in contatto con l elettrolita. Il manuale è composto da una parte teorica e da una descrizione degli esperimenti pratici. Il trainer fornisce i necessari strumenti per studiare sistemi isolati o sistemi nei quali sono combinati metalli di diversa natura. Particolare attenzione è rivolta alla presenza o assenza di isolanti sulle superfici dei campioni per dimostrare il diverso comportamento del materiale stesso, con o senza protezione. Il trainer include anche i dispositivi necessari per evidenziare il concetto di potenziale a corrosione libera, misurata con elettrodi di riferimento, e a costruire le curve di polarizzazione. Le tecniche di protezione sono rappresentate da sistemi di anodi "sacrificali" di metalli diversi o da sistemi di corrente impressa per la protezione catodica con la possibilità di verificare l uso di alimentatori a tensione, corrente e potenziale costanti. Il trainer è completo di strumentazione di adeguata sensibilità e precisione. Infine, un interfaccia multicanale permette di collegare il trainer ad un computer per registrare e salvare i risultati degli esperimenti.

3 2. LISTA DEGLI ESPERIMENTI 1) Uso del voltmetro Lo strumento più importante nel campo della protezione catodica è il voltmetro. Il tipo digitale è il più comune; a causa della grande impedenza, permette la misura delle tensioni (i potenziali) dovute a fonti con elevata impedenza interna. Le misurazioni servono ad introdurre alle misure elettriche e alla legge di Ohm che regola il passaggio della corrente nella prima e nella seconda specie di conduttori (metalli e elettroliti). 2) Misura della differenza di potenziale di un campione immerso in un elettrolita Questo esperimento introduce l argomento della protezione catodica. L'obiettivo è quello di modificare il potenziale (rispetto alla cella di riferimento) della struttura da proteggere, rallentando la tendenza naturale del metallo a passare in soluzione. Questo esperimento sottolinea l'approccio elettrochimico ai fenomeni di corrosione. 3) La cella di riferimento Questo esperimento mette in relazione l'uso dei tre tipi di celle di riferimento più comuni: la cella di riferimento al Cu/CuSO4, la cella di riferimento Ag/AgCl e la cella di riferimento di zinco.

4 4) La cella di Daniel Nella cella di Daniel, elettrodi di rame e zinco sono immersi in una soluzione di solfato di rame e di solfato di zinco, rispettivamente. All anodo, lo zinco viene ossidato dalla seguente reazione: Zn(s) Zn2+(aq) + 2e Al catodo, il rame viene ridotto dalla seguente reazione: Cu2+(aq) + 2e Cu(s) Nella cella di Daniel che, grazie alla sua semplicità, viene spesso usata per le dimostrazioni, gli elettroni che sono "tirati" dallo zinco viaggiano sul filo e forniscono una corrente elettrica che illumina la lampadina. In tale cella, gli ioni di solfato svolgono un ruolo importante. Avendo una carica negativa, questi anioni si accumulano attorno all'anodo per mantenere una carica neutra. Viceversa, in corrispondenza del catodo si accumulano i cationi di rame per mantenere questa carica neutra. Questi due processi fanno sì che il rame solido si accumuli sul catodo e che l'elettrodo di zinco si sciolga nella soluzione. 5) I conduttori della prima e seconda specie Utilizzando un semplice circuito è possibile mostrare l equivalenza tra gli elettroliti e i comuni conduttori per quanto riguarda il passaggio della corrente elettrica. 6) Introduzione ai criteri di Protezione Catodica Utilizzando la cella elettrolitica del banco è possibile riprodurre l'applicazione dei criteri NACE che confermano lo stato della protezione catodica di una struttura.

5 7) Introduzione agli Anodi Sacrificali in Zn, Mg e Al Utilizzando la cella elettrolitica del trainer è possibile riprodurre l'applicazione dell anodo sacrificale a una struttura in acciaio e vedere allo stesso tempo il confronto tra due campioni, uno in regime di protezione catodica, l'altro in regime di libera corrosione. 8) Introduzione ai sistemi di protezione catodica a corrente impressa Utilizzando la cella elettrolitica del trainer è possibile riprodurre l'applicazione della corrente impressa ad una struttura in acciaio e visualizzare contemporaneamente il confronto tra due campioni, uno in regime di protezione catodica, ottenuta mediante anodi sacrificali, l'altro condotto con il sistema di corrente impressa. 9) L anodo a corrente impressa a perdere (Fe) Utilizzando la cella elettrolitica del trainer è possibile riprodurre l'applicazione della corrente impressa ad una struttura in acciaio e vedere nel tempo l'effetto del consumo dell'anodo a causa del suo passaggio in soluzione. 10) L anodo a corrente impressa di tipo inerte (Ti Pt e MMO) Non tutti i materiali anodici passano in soluzione; due esempi possono essere visti utilizzando l anodo di titanio platinato e l anodo di titanio rivestito di ossido di metallo. 11) Concetto di resistenza, circuito per conduttori della prima e della seconda specie Utilizzando la cella elettrolitica del trainer è possibile produrre il passaggio di corrente nel bagno e in questo modo dimostrare la validità della legge di Ohm nel campo della protezione catodica. La legge di Ohm si applica ai circuiti elettrici; afferma che la corrente attraverso un conduttore tra due punti è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale (caduta di tensione o tensione attraverso i due punti) e inversamente proporzionale alla resistenza tra loro. L'equazione matematica che descrive questa relazione è la seguente: I = V / R, dove I è la corrente in ampere, V è la differenza di potenziale in volt ed R è un parametro di circuito chiamato resistenza (misurata in Ohm, anche pari a volt per ampere). La differenza di potenziale è anche nota come la caduta di tensione ed è talvolta indicata con U, E o fem (forza elettromotrice), invece di V.

6 12) Introduzione al concetto di resistenza specifica su tre differenti conduttori della prima specie (Fe, Cu, FE NI) Per guidare lo studente al concetto di resistività, un esperimento può essere eseguito utilizzando tre campioni geometricamente identici di materiale diverso, al fine di identificare il concetto di resistenza specifica che "in fieri" è la resistività o, come inverso, la conducibilità. 13) Introduzione al concetto di interferenza dovuta alla presenza di campi elettrici esterni su strutture interrate o sommerse (correnti vaganti) L'esperimento riproduce l'effetto di un campo elettrico esterno su una struttura sommersa che forma zone separate anodiche e catodiche sulla superficie del campione. È l'introduzione al concetto di interferenza dovuta alla presenza di un campo elettrico esterno e interferente su strutture interrate o sommerse (correnti vaganti). 14) Influenza della presenza di aria sulla resistività Questo esperimento dimostra e spiega la variazione della resistività con l'aumento della presenza di aria disciolta nell'elettrolita. 15) Introduzione alla densità di corrente e tracciamento delle curve di Tafel Il concetto di densità di corrente è, come la differenza di potenziale, il concetto principale nella disciplina della protezione catodica e questo esperimento permette di comprendere che con questo concetto è possibile prevedere la quantità di corrente necessaria per ottenere il regime di protezione catodica sulla superficie di una nota struttura immersa nell elettrolita. Utilizzando l'interfaccia multi canale è possibile registrare la variazione dei valori di corrente nel tempo, quindi costruire le curve di polarizzazione in un diagramma. 16) Effetto della temperatura sulla densità di corrente (cella termostatica) Questo esperimento dimostra e spiega la variazione di densità di corrente in funzione della temperatura e introduce il concetto di attività chimica. 17) Influenza della presenza di aria sulla densità di corrente Questo esperimento dimostra e spiega la variazione di densità di corrente in funzione dell aumento di ossigeno disciolto. 18) Rivestimento e densità di corrente L'uso di campioni rivestiti permette di dimostrare l'effetto dei rivestimenti sulle strutture sommerse o interrate e dà la grandezza dell'effetto spiegando che la sinergia tra la protezione catodica e il rivestimento delle superfici da proteggere riduce la densità di corrente con tutti i vantaggi rilevanti.

7 3. LISTA DEI MATERIALI Banco con ruote (dimensioni: 1300 x 2000 x800 mm.), con pannello elettrico, armadietti con chiave e superficie del tavolo impermeabile. Voltmetro digitale (portatile) Interfaccia per PC per la misura e la registrazione di 5 diversi canali Voltmetro digitale in consolle Amperometro digitale in consolle (quantità 2) Cella di riferimento portatile Cu/CuS04 (quantità 2) Cella di riferimento portatile Ag/AgCI (quantità 2) Cella di riferimento Zn (quantità 2) Elettrodo di rame 30 x 140 mm, spessore 2mm (quantità 10) Elettrodo in acciaio (quantità 10) Bacinella trasparente per realizzare il bagno elettrolitico di prova (quantità 4) Semplice circuito con resistenza a cursore e lampada per l inserimento nel circuito elettrico della cella elettrolitica Elettrodo di zinco 8 mm, lunghezza 140 mm (quantità 20) Elettrodo di magnesio 25 mm, lunghezza 140 mm (quantità 20) Elettrodo di alluminio 25 mm, lunghezza 140 mm (quantità 20) Alimentatore in CC (quantità 4) Anodo Ti Pt (50 x 140 mm.) (quantità 4)

8 Anodo tubolare MMO (25.4 x 140 mm) (quantità 4) Barra Cu da1mm lunghezza 1m Barra Fe da1mm lunghezza 1m Barra Fe Ni da1mm lunghezza 1m Cella fluida di resistività Resistenza impermeabile con sistema termostatico Pompa ad aria con relativo spruzzatore Elettrodo in acciaio completamente rivestito di materiale epossidico (quantità 10) Elettrodo in acciaio parzialmente rivestito di materiale epossidico (quantità 10) Vari reagenti in contenitori di plastica, 0.25 kg/cadauno (quantità 10) Set di fusibili di riserva Set di cavi di collegamento Set di guanti e occhiali di sicurezza Manuale degli esperimenti su carta e CD