Proteção Catódica - Como funciona?
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As primeiras menções sobre proteção catódica foram relatadas em artigos apresentados à Royal Society em Londres em 1824, ao se perceber que estruturas submersas de ferro fundido eletricamente ligadas ao cobre utilizado no casco de embarcações sofriam perda de massa enquanto o cobre abaixo da linha d’água reduzia significativamente sua taxa de corrosão.
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Mas por que ocorre corrosão em metais?
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A corrosão metálica nada mais é do que uma reação eletroquímica em que um metal combinado com um componente não-metálico, como o oxigênio, tende a formar óxido metálico ou outro composto, de acordo com a natureza do ambiente.
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Em vias de regra, metais possuem diferentes tendências para se desgastar, designadas como atividade ou potencial. Os potenciais podem ser relacionados conforme tabela e formar as séries eletroquímicas.
Uma abordagem mais prática é a determinação da tendência de alguns metais que podem se desgastar em um eletrólito específico, como a água do mar, o que é conhecido como série galvânica, como mostra a imagem abaixo:
Na prática, ocorre que se dois metais forem colocados em um eletrólito (água do mar ou solo úmido) e estiverem em contato elétrico direto, uma corrente irá passar pelo eletrólito do metal mais eletropositivo para o metal menos eletropositivo. Desta forma o metal menos ativo não se desgasta, sendo considerado o catodo, enquanto o metal mais ativo será o anodo que aumentará o fluxo da corrente elétrica pelo eletrólito. Este processo é conhecido como o processo de transferência de elétrons e íons de metal, ou seja, corrosão.
Este fenômeno pode ser representado conforme a ilustração abaixo:
Então por que pode haver corrosão em uma única chapa de aço?
Naturalmente áreas anódicas e catódicas podem se formar em uma mesma estrutura metálica, sendo estas micro-regiões chamadas de células de corrosão, que podem ocorrer devido ao contato elétrico entre metais dissimilares (ligados durante o processo metalúrgico), sendo então chamada de pilha galvânica, conforme a ilustração abaixo:
Condições para formação de células galvânicas:
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1. Diferenças físicas no metal devido a stress ou tratamento.
2. Impurezas na superfície ou no metal.
3. Variações na composição do metal.
4. Mudanças na concentração do eletrólito na superfície do metal, ex. Aeração.
5. Variação na temperatura do eletrólito.
Proteção catódica:
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A proteção catódica é um sistema de prevenção contra corrosão que tende a forçar a superfície da estrutura que se quer proteger a ser um catodo, inserindo anodos artificiais.
Conforme descrito acima, uma célula galvânica ocorre quando metais dissimilares estão em contato entre si e em um eletrólito. Desta forma, cuidados devem ser considerados na construção de estruturas enterradas ou imersas em um eletrólito para se certificar de que células galvânicas não serão criadas.
Proteção catódica por anodos de sacrifício
Conforme indicado anteriormente, um metal pode se tornar catódico conectando-o eletricamente a um metal anódico dentro de um mesmo eletrólito. Sendo assim os metais anódicos mais utilizados como anodos de sacrifício serão aqueles fabricados em ligas de alumínio, zinco e magnésio, menos nobres ou eletronegativos comparados ao aço carbono usado para a fabricação de cascos de embarcações, por exemplo.
Os Anodos fabricados com estes metais são mais favoráveis à corrosão, por isso, são comercialmente designados como anodos de sacrifício.
Proteção catódica por corrente impressa - ICCP
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Estruturas metálicas também podem se tornar um catodo artificial conectando-as eletricamente com outro componente metálico no mesmo eletrólito através de uma fonte de corrente contínua e direcionando o fluxo de corrente para sair da superfície do componente metálico adicionado externamente (anodo) através do eletrólito para o metal (catodo).
Este processo pode ser facilmente visualizado abaixo pela referência da célula simples, e assumindo ainda outro eletrodo, que com uma fonte de energia, introduz um fluxo de corrente deste eletrodo suficiente para superar a corrente de corrosão natural:
Neste sistema será necessário considerar a utilização de uma fonte de corrente contínua geralmente obtida através de painéis de controle retificadores, sendo a magnitude desta corrente automaticamente controlada em resposta a sensores fixos instalados a estrutura para o monitoramento contínuo do potencial eletroquímico do casco de uma embarcação, por exemplo.
A quantidade de corrente necessária para estabelecer a proteção catódica depende de um número de fatores que variam conforme a velocidade de navegação do navio, condições de pintura do casco e salinidade da água.
É importante ressaltar que o sistema de pintura é normalmente considerado o primeiro nível de proteção, enquanto a proteção catódica suplementa a pintura e provê proteção contra inevitáveis avarias e defeitos inerentes a operação da embarcação.
Anodos de proteção catódica por corrente impressa não são consumidos ao contrário dos anodos de sacrifício, uma vez que os materiais utilizados em sua fabricação mantêm uma proposta de tempo de vida útil de em média 20 anos.
Estes componentes podem ser fabricados de grafite, ferro-silício, ligas de chumbo, alguns com bi-eletrodos de platina, titânio platinado ou outras combinações mais exóticas como nióbio revestido de platina.
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Como vantagem, são necessários menos anodos de corrente impressa para a proteção de uma estrutura, comparado a quantidade de anodos de sacrifício para proteção de uma mesma área.
Para certificar o correto nível de proteção atingido, é necessário medir o potencial da interface casco/água do mar contra uma referência estável e confiável. Para ambientes marítimos são normalmente aplicados dois tipos de sensores de referência, zinco ou prata/cloreto de prata.
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Estes sensores são montados na face submersa do casco e o número de sensores e sua localização são determinadas considerando a disposição dos anodos inertes e a geometria do casco, para melhor prover o monitoramento e controle dos potenciais por toda a estrutura.
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O controle da corrente de proteção catódica é realizado pelo circuito de controle, onde o potencial medido pelo sensor é comparado a um ajuste desejado, e qualquer diferença entre eles produzirá uma reação que dispara a corrente para controlar o aumento do potencial galvânico medido pelos sensores.
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Componentes do sistema de proteção catódica por corrente impressa - ICCP
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Anodos inertes
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Tem a função de conduzir a corrente protetora DC para a água do mar. Estes anodos são projetados para desempenhar esta função mantendo um baixo contato de resistência elétrica com a água do mar, permitindo o uso de painéis retificadores de 24 volts, reduzindo o número e as dimensões totais destes anodos ao longo do casco.
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Eletrodos de Referência
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Em sua maior parte, encontrados em zinco de alta estabilidade e pureza, são projetados para oferecer uma referência estável em oposição aos potenciais de água do mar/casco que podem ser medidos e uma pequena corrente de fluxo utilizada no circuito de loop fechado para manter os níveis pré-ajustados de proteção do painel de controle.
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Unidade retificadora
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A unidade retificadora de proteção catódica por corrente impressa compreende o acesso ao controle de corrente e monitoramento dos parâmetros informados pelo sistema, tais como o potencial eletroquímico medido através dos eletrodos de referência, tensão e corrente do módulo retificador, monitoramento e acionamento de alarmes para super ou sub proteção.
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Faixa de proteção
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A tabela abaixo demonstra os intervalos para potenciais eletroquímicos medidos entre zinco ou prata cloreto de prata em relação ao aço carbono que compreendem a faixa de proteção desejada para aço carbono imerso em água do mar.
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