PROTECTIA CATODICA A CONDUCTELOR

I.Coroziunea

Coroziunea este reacia dintre metalul i mediul n care se afl n contact, care

conduce la modificri msurabile ale caracteristicilor i la antrenarea unor deteriorri

ireversibile. Aceast reacie poate fi electrochimic, chimic sau fizico-chimic,

reacia electrochimic fiind caracteristic tuturor conductelor subterane.

O reacie electrochimic are loc n prezena unui electrolit, pentru conductele

subterane acesta fiind solul ce le nconjoar. Se formeaz astfel o pil galvanic

format din anod, catod i electrolit.

Metalele mai puin nobile din punct de vedere electrochimic au un potenial mai

sczut i cedeaz electronii n prezena electrolitului. Dac se consider conducta

plasat ntr-un sol acid, procesul va fi accelerat prin degajarea de hidrogen, iar n sol

anaerob, ce conine sulfai, procesul va fi accelerat de bacteriile sulfat-reductoare.

,,Motorul responsabil al atacului coroziv este diferena potenialelor de echilibru ale

reaciilor pariale de pe anod i catod. Cele dou componente ale pilei galvanice fiind

n scurt-circuit, diferena de potenial este important. Tot odat, diferena fa de

potenialul de echilibru poate crete mult dac acioneaz curenii de dispersie generai

de alte instalaii vecine.

n cazul conductelor de transport produse petroliere, lichide sau gazoase, cnd

presiunile de lucru ajung pn la 80 bar, exigenele n ceea ce privete securitatea n

exploatare sunt riguroase. Nu trebuie neglijate nici aspectele economice care au n

vedere o durat de via ct mai lung. Toate acestea impun aplicarea conductelor

subterane a unui sistem complex de protecie contra coroziunii i nu numai.

Sistemul clasic de protecie contra coroziunii conductelor subterane const n

acoperirea cu materiale izolante i aplicarea proteciei catodice.

Protecia prin acoperire se asigur prin aplicarea unui strat izolator durabil din

materiale sintetice, a crei grosime ajunge pn la 3 mm. Tubulatura se livreaz pe

antier preizolat, urmnd ca dup sudare, mbinarea s fie izolat astfel nct s se

obin o izolaie continu pe ntregul fir al conductei.

Izolaiile sunt suficient de groase i trebuie s fie lipsite de defecte pentru a nu

permite aciunea distructiv a curenilor de distribuie.

Numai acoperirea cu materiale de izolaie nu este suficient pentru a prelungi

durata de via a conductei. Conducta n an trebuie acoperit cu un strat de nisip

pentru ca la aezarea n an i la umplerea anului s nu se deterioreze izolaia de

ctre pietre.

Protecia catodic este cea care se aplic tuturor conductelor izolate la exterior.

Prin aceasta se asigur injectarea de electroni pentru a neutraliza agenii corozivi din

sol. Necesarul de electroni este asigurat de anozii activi sau galvanici sau de un

generator (staie) de curent de protecie catodic.

Aducerea curentului de protecie la conducta de protejat antreneaz scderea

potenialului i acest indicator este foarte important n aprecierea calitii proteciei

catodice.

Curentul de protecie nu poate fi injectat ntr-un singur punc al conductei dac

lungimea acesteia este mare, deoarece fiecare injecie de curent este eficient numai pe

o anumit distan. Se recurge la conductele de mare lungime la amplasarea pe traseu a

mai multor staii de protecie catodic.

Avndu-se n vedere mbtrnirea inerent a izolaiei i deteriorrile datorit

altor cauze (tasri exagerate ale ternului, creterea rdcinilor etc.), parametrii

proteciei catodice trebuie verificai periodic.

Normele actuale impun verificarea periodic a calitii proteciei catodice pe

ntreaga lungime a conductei. Pentru a uura msurarea parametrilor caracteristici, pe

traseul conductei se monteaz mai multe prize de potenial. Lunar, personalul de

exploatare msoar potenialele conductei i dup prelucrarea datelor se stabilesc

lucrrile ce urmeaz a fi realizate. Staiile moderne sau modernizate sunt prevzute cu

dispozitive de telesupraveghere care asigur transmiterea de date la un centru de

supraveghere a strii proteciei catodice. La intervale de 1 3 ani sunt efectuate

msurtori de stabilire a strii proteciei catodice de ctre o societate independent

autorizat.

n cazul unor abateri excesive ale potenialelor conductei, mai nti se

cerceteaz funcionarea staiei de protecie catodic, defectele constatate fiind

ndeprtate ct mai urgent. Dac aceasta este corespunztoare, se caut existena unor

defecte de izolaie, localizarea fcndu-se pe baza mai multor proceduri.

Prezena curenilor de dispersie trebuie stabilit nc de la stabilirea traseului

conductei. Surse de asemenea cureni pot fi depistate i dup darea n exploatare a

conductei. Rezult c, periodic, pe lng verificarea calitii proteciei catodice trebuie

depistai curenii de dispersie care intensific procesul de distrugere prin coroziune.

Toate aceste aspecte se vor dezvolta pe parcursul perioadei de expunere a

aspectelor teoretice i practice legate de protecia catodic a conductelor subterane.

1.Coroziunea electrochimic

Coroziunea electrochimic este principala form de distrugere a metalelor i

aliajelor. Mediul n care se desfoar aceasta 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 la reducerea ionilor de hidrogen:

2H+ + 2e H2O2 + 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-

Pentru ca procesul de coroziune electrochimic s se poat desfura 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, bun conductoare

de sarcini electrice.

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 gazelor

prin conducte din oel, sunt cele dintre fier i oxigen n prezena apei, n urma crora se

formeaz rugina [Fe(OH)3 nH2O]:

Oxidare Fe Fe2+ + 2e

Reducere O2 + 4H+ +4e 2H2O

Reacia global 2Fe + O2 + 4H+ 2Fe2+ +2H2O

Formarea ruginii 2Fe2+ + 21O2 + 5H2O 2Fe(OH)3 +4H+

Degajare de hidrogen 2H+ + 2e H2Viteza de coroziune este strns legat de cantitatea de oxigen ce ajunge la

suprafaa anodic (acces direct, prin difuziune etc.).

Neomogenitatea chimic i structural a suprafeei metalice i a electrolitului

determin localizarea proceselor anodice i catodice pe zonele cu o energie liber mai

mare. Aceeai aciune o are i prezena unor tensiuni locale de ntindere sau forfecare,

care modific valoarea potenialului electrochimic al materialului.

Zonele care capt un caracter anodic se distrug ca urmare a trecerii ionilor

metalici n soluie, iar cele cu caracter catodic sunt protejate.

Intensitatea coroziunii electrochimice este legat direct de proprietile compuilor

rezultai n urma atacului corosiv, compui ce pot fi:

- solubili n mediul electrolitic, care prin trecerea lor n soluie las suprafaa

metalic liber pentru continuarea coroziunii;

- greu solubili, care se acumuleaz pe suprafaa metalic formnd un strat

continuu cu caliti dielectrice, ce contribuie la reducerea vitezei reaciei de ionizare a

metalului i prin aceasta la protejarea ntr-o oarecare msur a metalului.

n afar de natura metalului, coroziunea electrochimic este influenat de pH-

ul soluiei, potenialul metalului n cazul coroziunii galvanice, concentraia n anumii

produi chimici activi, cum ar fi oxigenul sau dioxidul de carbon, conductivitatea

electric a mediului, temperatura mediului etc.

2. Potenialul i curentul de coroziune

Coroziunea electrochimic are la baz formarea unei pile galvanice, n

interiorul creia 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 standard al unui metal este tensiunea ce se msoar ntre electrodul

de hidrogen i electrodul metalic respectiv n condiii standard. Potenialele standard

ale ctorva metale sunt prezentate n tabelul 1.

In practic se determin potenialul fa de electrozi de referin mai ieftini i

mai uor de manipulat, al cror potenial standard fa de electrodul de hidrogen este

cunoscut prin determinri experimentale.

Tabelul 1Potenialul standard al unor metale

Element Hg Al Ti Zr V Mn Zn Cr Potenialul standard, n V

2,363 1,662 1,628 1,529 1,186 1,180 0,763 0,744

Element Fe Cd Co Ni Mo H Cu Ag Potenialul standard, n V

0,440 0,403 0,277 0,250 0,20 0 +0,337 +0,799

3. 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 ale acestora se stabilesc n funcie de indicele de penetraie

(tabelul 2). Tabelul 2

Clasele de agresivitate ale mediilor naturale

Clasa

de agresivitate

Indicele de

penetraie,

n mm/an

Caracterizarea

mediului

1m < 0,010 neagresiv 2m 0,011 0,100 slab agresiv 3m 0,11 0,50 mediu agresiv 4m > 0,50 puternic agresiv

II.Aspecte generale ale protectiei catodice

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. alii dect cei

ce provin din distrugerea materialului metalic, ce pot 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, se 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. 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 cu 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 conductelor

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

mediului, nu i a suprafeelor interioare.

Protecia catodic este asociat cu acoperirea exterioar izolatoare i este

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

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.

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. 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. 1. Curentul maxim de coroziune n raport cu potenialul de imunitate.

Mrimea curentului de protecie stabilit prin aceste dou metode este diferit

de mrimea real necesar, deoarece nu se ine 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 4.1.

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

deoarece se ajunge la fisurarea i dezlipirea catodic a stratului de protecie pasiv prin

degajarea unei cantiti mari de hidrogen. O densitate prea mic nu asigur 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 seciunea de 10 mm2 la

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

Tabelul 4 Densitatea necesar de curent pentru protecia catodic a conductelor

Mediul de lucru Protecia pasiv existent Densitatea de

curent

recomandat, ip,

n mA/m2Sol 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

10-3 10-2

10-2 10-1

0,2 1,6

crbune

Iut impregnat cu bitum

Fr protecie

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

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 materialului anodului galvanic

fiind 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.

1. 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.

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

permanent potenialul de protecie al conductei. Curentul de protecie catodic se

transmite prin sol de la anod la conduct, 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 de

apreciere a 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.

2. Efectul de electroosmoz n sistemele de protecie catodic

n solul poros exist dou feluri de ap: apa legat i apa liber.

Apa este legat de suprafaa particulelor solide din sol prin fore de atracie

molecular Van der Waals. Aceste fore descresc cu distana fa de particula solid.

Stratul adsorbit are o grosime foarte mic, de ordinul a 0,1 m. n acest prim strat sunt

reinui ioni. Urmeaz stratul de tranziie, caracterizat prin mobilitate limitat a

moleculelor de ap, ce se extinde pn la o distan de 0,5 m de suprafaa particulei

solide.

La o distan mai mare, atracia moleculelor de ap devine slab i apa devine

liber. Apa ,,liber, bogat n sruri i oxigen, se poate deplasa sub aciunea cmpului

electric.

Difuzia apei prin stratul gros de acoperire poate fi de natur ionic sau

molecular. Fenomenul de difuzie a apei este dependent de gradul de reticulare i de

gradul de cristalinitate. Materialele de izolaie noi, sub temperatura de tranziie

vitroas, practic nu prezint un proces de conducie ionic. n cazul izolaiilor

degradate, mbtrnite, devenite poroase, curentul electric de protecie catodic aplicat

conduce la difuzia apei prin fenomenul de electroosmoz.

Efectul de electroosmoz const n trecerea apei printr-un mediu permeabil sub

aciunea unui cmp electric. Acest fenomen este caracteristic construciilor metalice

protejate catodic i acoperite la exterior cu un strat izolator.

Cantitatea de ap transportat prin electroosmoz de la anod ctre catod poate fi

stabilit cu o relaie de forma:

=icQ n care: c este o constant specific fiecrui material de izolaie; i - densitatea de curent

pe suprafaa izolaiei, - rezistena electric specific a lichidului, care pentru un sol

saturat n ap, poate fi considerat egal cu rezistivitatea solului,

Prin deplasarea apei de la anod ctre catod, conductivitatea electric a solului din jurul

anodului scade continuu pn cnd umiditatea relativ atinge o valoare limit, dup

care rmne constant (fig. 2).

Fig. 2 Variaia conductivitii solului n funcie de umiditate.

Fig. 3. Pregtirea anodului pentru prevenirea blocrii.

n cazul existenei unui sol argilos n jurul anodului se constat, pe lng o

uscare accentuat i o contracie important, de pn la 10 %. n acelai timp, scad

mult coninutul n clorur de sodiu i conductivitatea solului.

Efectul electroosmozei se resimte cel mai puternic i la anozii staiilor de curent

n perioadele secetoase dac nu se reface starea de umezeal din jurul anodului. Prin

deplasarea apei din jurul lor ctre conduct, solul se usuc, mrind astfel rezistena de

trecere. Ori, prin creterea rezistivitii de trecere se micoreaz cantitatea de curent ce

ajunge la conduct i se nrutete calitatea proteciei catodice. Odat cu uscarea

solului, temperatura de lucru a anodului crete ca urmare a aplicrii unei densiti mai

mari de curent pentru asigurarea proteciei, ceea ce face ca s se piard mai mult ap.

Pentru a micora efectul electroosmotic de uscare a solului din jurul anozilor se

recomand, fie limitarea curentului anodic (dac este posibil), fie umezirea periodic

a amplasamentelor acestora. Pentru a doua posibilitate, n stratul de pietri de deasupra

anodului se plaseaz o eav din material plastic ce servete la aerisire i umezire (fig.

3).

Fenomenul de electroosmoz acioneaz i asupra desprinderii proteciei pasive.

O contribuie deosebit o are potenialul de polarizare a conductei, msurat dup

ntreruperea proteciei catodice (potenialul OFF).

Dac potenialul de polarizare n solurile normale este mai negativ de 1,2 V,

pericolul desprinderii izolaiei este evident. La un asemenea potenial, apa acumulat

n pori i sub stratul de protecia disociaz, rezultnd hidrogen, a crui presiune crete

continuu pn cnd stratul de protecie cedeaz.

n practica proteciei catodice, disocierea apei nu are loc att timp ct nu s-a

depit suprapotenialul hidrogenului. Pentru oel, potenialul de desprindere catodic

a izolaiei, msurat fa de electrodul de referin Cu/CuSO4, este:

EH = (0,316 + 0,059 pH) [V]

n care pH este pH-ul apei coninut n sol i n porii stratului protector al conductei

metalice.

Din aceast relaie rezult c potenialul cel mai negativ de polarizare admis la

conducta ngropat este dependent de natura solului i de coninutul apei n sruri.

Acest potenial poate varia de la o zon la alta pe lungimea conductei ngropate.

Acolo unde salturile de potenial sunt mari, pentru a preveni desprinderea

izolaiei sub aciunea fenomenelor de electroosmoz i disociere, conducta se

tronsoneaz prin montarea de legturi electroizolante.

Desprinderea catodic a izolaiei, este marcat de o cretere a curentului necesar

proteciei catodice de 1,5 - 2 ori.

3. Desprinderea catodic a izolaiei conductelor

Termenul de desprindere catodic este utilizat pentru a ine seama de pierderea

aderenei unei izolaii de pe metal, n cazul n care metalul este supus proteciei

catodice.

Pentru ca desprinderea s aib loc, procesul necesit: un electrolit, oxigenul i

deplasarea ionilor i electronilor sub aciunea cmpului electric.

Desprinderea este grbit dac suprafaa protejat este supus unui ciclu de udare

uscare i prezint defecte.

Pe scurt, procesul de desprindere catodic a straturilor subiri sau groase, care prezint

defecte deschise, prezint trei etape. n prima etap are loc transportul apei cu oxigenul

dizolvat ctre suprafaa metalic. n a doua etap are loc reducerea oxigenului dizolvat

la nivelul interfeei metal soluie, cu formarea grupului hidroxil OH-. n a treia etap

are loc degradarea legturilor dintre adeziv i metal ca urmare a creterii pH-ului i

formrii stratului de oxid sau a hidrolizei adezivului.

Reacia catodic, responsabil de desprindere a izolaiei, este reducerea oxigenului de

la suprafaa metalului protejat:

H2O + 1/2O2 + 2e 2OH

Reacia catodic are loc sub izolaie, ceea ce confirm caracterul interfacial al

desprinderii. n paralel cu reacia de reducere a oxigenului pe metalul protejat catodic,

au loc reacii intermediare cu adezivul care stau la originea degradrii la interfaa

adeziv - metal. Cercetrile ntreprinse au scos n eviden efectul alcalinizrii apei prin

formarea ionilor OH asupra legturilor de aderen dintre strat i metal. Creterea pH-

ului sub izolaie este cu att mai mare cu ct dimensiunile defectelor create sunt mai

mici. La un pH = 8 9, sub stratul izolator se gsesc n principal carbonai de fier, iar

la un pH = 12, depuneri de carbonat de fier (FeCO3), carbonat de calciu (CaCO3) i

hidroxid de magneziu (Mg(OH)2).

Din cele prezentate rezult c desprinderea stratului izolator sub aciunea potenialului

de protecie catodic este rezultatul unui proces electrochimic ce se desfoar la

interfaa polimer - metal. Apa difuzat sub aciunea cmpului electric disociaz

rezultnd hidrogen i acesta nu are posibilitatea evacurii imediate. Se ajunge astfel la

creterea presiunii sub strat i la desprinderea i fisurarea stratului izolator pe cale

mecanic (fig. 4.8). De acum ptrunderea apei se face direct i desprinderea continu

n lungul defectului ca urmare a degradrii rapide a interfeei polimer - metal. Acest

fenomen de pierdere a aderenei este cunoscut sub denumirea de desprindere catodic.

Neomogenitatea adezivului sau a suprafeei metalice creeaz zone cu diferen de

aderen, dintre care unele foarte slabe. n timp, frontul de delaminare se deplaseaz i

fiind n contact prelungit cu electrolitul de sub izolaie, se produce extinderea

desprinderii.

n timp se constat scderea aderenei izolaiei i ca urmare i a unui proces complex,

fizic i chimic, de mbtrnire. mbtrnirea de natur fizic se desfoar fr transfer

de mas i se poate manifesta prin plastifiere, sau umflare ca urmare a difuziei sau

biodegradrii. mbtrnirea de natur chimic survine ca urmare a degradrii

polimerului prin modificarea lanurilor moleculare prin reacii de adiie, hidroliz sau

oxidare.

Procesul de mbtrnire poate fi considerat ca o alterare lent, ireversibil, a

proprietilor materialului de izolare, sub aciunea instabilitii proprii sau a efectului

mediului i condiiilor de lucru.

n cazul unui mediu cu pH < 7, la nivelul suprafeei metalice acoperite au loc trei

reacii succesive:

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

2FeO(OH) + Fe2+ Fe3O4 + 2H+

n acest caz, desprinderea catodic poate fi considerat i ca o desprindere

mecanic, determinat de formarea sub stratul protector a filmului de oxid caracterizat

printr-un volum specific important i degajarea de hidrogen.

Riscul pierderii aderenei i desprinderea izolaiei este determinat de existena

defectelor microscopice i/sau macroscopice n stratul izolator i mai puin de

cantitatea de oxigen i de ap ce difuzeaz prin strat.

Aderena direct a polietilenei, ca material clasic de izolare, este foarte slab,

motiv ce impune interpunerea unui strat adeziv de tip epoxidic.93

Un factor important la fel de important, ce poate conduce la dezlipire este

mrimea potenialului aplicat conductei pentru asigurarea proteciei catodice.

Potenialul de baz al conductei ngropate, msurat fa de electrodul

nepolarizabil Cu/CuSO4 este cuprins ntre 0,5 i 0,6 V.

Pentru soluri normale, care conin microorganisme aerobe, potenialul de

protecie catodic este cuprins ntre 0,85 i 1,10 V. Dac solul este bogat n bacterii

anaerobe, reductoare de sulfai, potenialul maxim admis trebuie redus la 0,95 V.

Aplicnd un potenial mai negativ de 1,20 V apare pericolul desprinderii

catodice a izolaiei ntr-un timp scurt. Un potenial mai cobort, de ordinul -1,5 V,

produce o degajare puternic de hidrogen i mrete considerabil pH-ul local.

La conductele ngropate se constat c este aproape imposibil de evitat

deteriorarea stratului de izolaie n timpul transportului i construciei. De asemenea,

rmn suficiente defecte minore de izolaie nepuse n eviden cu ocazia controlului

nedistructiv. Potenialul normal de protecie provoac slbirea lent a stratului de

acoperire ncepnd de la marginile defectului existent, mrind astfel dimensiunile

acestuia. Reducerea aderenei este specific fiecrei caliti de izolaie.

Cantitatea de curent consumat pentru protecie crete n timp ca urmare a

extinderii ariei defectului aflat sub o densitate de curent mai mare dect cea normal

de protecie catodic.

Msurtorile efectuate pun n eviden existena unui salt de curent n zona

defectului, pe cnd potenialul nu-i modific semnificativ valoarea. n cazul n care nu

se regleaz automat densitatea de curent necesar proteciei, se ajunge la concentrarea

coroziunii n defectele izolaiei.

Slbirea izolaiei poate fi apreciat prin examinarea fizic a stratului defect i prin

nregistrarea cantitii de curent consumat sau prin ambele procedee. De obicei nu

exist nici o corelaie ntre cele dou metode de evaluare.

Stabilirea tendinei izolaie de a se desprinde catodic se face conform ASTM

G8-90 sau DIN 30671-1992.

4. 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 ngropate din

vecintate;

- caracteristicile izolaiei exterioare;

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

Referitor la conductele 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.

5. Curbele de polarizare i potenialele conductei ngropate

n practica aplicrii proteciei catodice prezint interes trei poteniale:

- potenialul de baz, cel care corespunde situaiei n care conducta nu este i

nici nu a fost racordat la instalaia de protecie catodic;

- potenialul de protecie catodic, msurat n timp ce conducta ngropat se afl

sub protecie catodic;

- potenialul de polarizare, msurat dup ntreruperea curentului de protecie

catodic (potenialul OFF).

Toate aceste poteniale se stabilesc fa de electrodul de referin Cu/CuSO4

(STAS 833-72).

Potenialul de baz al conductei ngropate este de regul cuprins ntre 0,5 i

0,6 V.

Aa cum s-a prezentat, pentru conductele ngropate n soluri cu agresivitate

normal, care conin microorganisme aerobe, potenialul de protecie catodic este

cuprins ntre 0,85 V i 1,10 V. Dac solul este bogat n bacterii anaerobe, sulfat-

reductoare, este necesar reglarea potenialului ntre 0,95 V i 1,10 V.

Criteriul de protecie catodic, precizat prin norme, impune ca potenialul

conductei, s fie mai electronegativ dect 850 mV (potenialul OFF).

Potenialul OFF nu trebuie s includ cderea de tensiune din circuit, dat de

trecerea curentului prin sol, care are o anumit rezistivitate.

Msurarea acestuia trebuie fcut imediat dup ntreruperea legturii electrice

cu sistemul de protecie catodic.

Potenialul OFF al conductei se modific dup ntreruperea proteciei catodice

i este diferit de potenialul de baz. n cazul unei izolaii de bun calitate, este greu de

a atinge imediat un potenial de 850 V. n acest caz se folosete drept criteriu depolarizarea cu mai puin de 100 mV. Aceast depolarizare este dat de diferena

ntre potenialul OFF i potenialul dup o anumit perioad de depolarizare (cuprins

ntre 1 i 4 ore). Durata depolarizrii nu este impus prin norme, ea depinznd de

mediu, izolaie, timp de polarizare etc.

Modificarea potenialului OFF este mai important la conducta veche, cu

izolaia exterioar mbtrnit i parial deteriorat. Acest nou potenial, numit

potenial de polarizare, are o influen direct asupra desprinderii proteciei pasive.

Dac potenialul de polarizare este mai negativ dect 1,20 V apare pericolul

desprinderii acoperii datorat formrii hidrogenului sub stratul de izolaie.

La msurarea acestor trei poteniale, electrodul nepolarizabil Cu/CuSO4 se

plaseaz la cel mult 0,7 m lateral fa de conduct pe un sol uor bttorit i umezit

(fig. 4). Legturile voltmetrului cu electrodul de referin i cu priza de potenial se

realizeaz cu conductori din cupru cu diametrul mai mare de 1 mm, izolai cu PVC.

Caracteristicile cerute voltmetrului folosit sunt:

- rezistena interioar 40 - 100 k/V;

- trei treptele de msurare de 1, 10 i 100 V;

- clasa de precizie min. 1,5.

Fig. 4. Msurarea potenialelor conductei n raport cu electrodul Cu/CuSO4.

Fig. 5. Msurarea tensiunii ntre sursa de curent i conduct.

Dac rezistena interioar a voltmetrului nu se ncadreaz n limitele indicate

mai sus, este necesar corectarea mrimii msurate. Pentru aceasta, se msoar

tensiunea ntre surs i sol (fig. 5) pe toate treptele voltmetrului. Cnd valoarea

tensiunii msurate este egal pe toate scrile voltmetrului, rezistena sa electric

interioar este corespunztoare efecturii msurtorilor de potenial.

Dac aparatul nu indic aceleai tensiuni se impune corectarea citirilor

folosind relaia:

U0 = k U [V]

unde: k este coeficientul de corecie i unde: U este tensiunea msurat, n V;

Msurarea diferenei de potenial dintre conduct i sol se face la intervale de cca. 30

min timp de 3 - 5 ore, voltmetrul fiind conectat timp de 30 s. Valoarea reinut va fi

cea care tinde s se stabilizeze.

Dac n zon sunt prezeni curenii de dispersie se impune stabilirea mrimii i

sensului acestora n punctul de amplasare a prizei de potenial i n zona de prsire

sau ntoarcere. La msurarea potenialului fa de ina de cale ferat sau de tramvai,

electrodul Cu/CuSO4 se leag la borna (+) a voltmetrului, iar ina la borna ().

Msurtorile se repet n timp pentru a se pune n eviden eventualele fluctuaii de

potenial din conducta subteran. Investigarea se desfoar pe durata a 24 de ore, iar

n calcul se ia valoarea medie a potenialului nregistrat.

De asemenea, se recomand msurarea diferenei de potenial dintre conducta

protejat i alte conducte metalice vecine, ngropate n apropiere. Aceste msurtori

devin obligatorii n cazurile n care conductele vecine neprotejate catodic sunt plasate

la o distan mai mic de 10 m fa de conducta protejat catodic. Cnd conductele

vecine sunt protejate catodic, distana se mrete la 100 m. La msurarea potenialului

dintre conducta protejat i conductele metalice vecine se folosesc electrozi de contact

executai din plumb sau oel legai de conductori de cupru cu seciune mare

. 6. Necesarul de curent pentru protecia catodic

Curentul necesar proteciei catodice depinde n primul rnd de starea izolaiei

exterioare.

La conductele neizolate la exterior, valoarea densitii de curent se stabilete n

funcie de tipul de coroziune din sol.

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, densitate necesar de curent de

protecie de 40 mA/m2.

Pentru conductele din oel neizolate amplasate n sol omogen, aerat i umed,

densitatea necesar de curent este de 100 - 200 mA/m2.

La conductele neizolate ce trec prin soluri cu compoziie i structuri diferite,

densitatea de curent indicat mai sus are un caracter orientativ. Diferenierea puternic

a caracteristicilor solului impune tronsonarea conductei neizolate prin montarea de

mbinri electroizolante, cnd este posibil aplicarea unei densiti optime de curent.

Marea majoritate a conductelor subterane sunt izolate la exterior cu un material

protector. Izolaia exterioar face ca necesarul de curent s fie cu mult mai mic. De

exemplu la vopsirea n mai multe straturi, curentul de protecie necesar se micoreaz

de 3 - 4 ori fa de starea neizolat, prin acoperirea cu bitum de petrol sau gudron de

crbune cu grosimea de 3 - 4 mm, curentul necesar se reduce la 1/1000, la o grosime a

stratului de 7 mm, reducerea este de 1/10000, iar la izolarea cu benzi adezive din

polietilen reducerea este i mai important. Aceste valori ale reducerii curentului de

protecie sunt orientative i ele se refer numai la o conduct proaspt acoperit.

La stabilirea necesarului de curent, principala caracteristic ce trebuie urmrit

este relaia ntre izolaia exterioar i rezistivitatea solului. Cu ct calitatea izolaiei

exterioare este mai bun, cu att cantitatea de curent necesar proteciei este mai mic,

iar cu ct rezistivitatea solului este mai mare, cu att cantitatea de curent necesar va fi

mai mare.

n practica proteciei, adesea se aplic o densitate de curent acoperitoare de

ordinul a 50 - 100 mA/m2. n timp intervine mbtrnirea izolaiei exterioare, care

modific rezistivitatea acesteia i din acest motiv, densitatea de curent se majoreaz

anual cu 2,5 - 5 %, n funcie de gradul de degradare.

Valoarea exact 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. 6). Se

regleaz tensiunea staiei mobile astfel nct voltmetrul s indice un potenial al

conductei de 0,85 V i se noteaz valoarea corespunztoare a curentului debitat n

circuitul staie-bare-sol-conduct. Mrimea acestui curent se compar cu cea a

curentului asigurat de instalaia de protecie i n funcie de rezultat se corecteaz

alimentarea.

Odat stabilit necesarul de curent, el trebuie urmrit n timp prin montarea pe

circuitul de alimentare al anozilor staiei de protecie catodic a unui contor de curent

continuu.

Fig. 6. Msurarea periodic a curentului i potenialului de protecie.

7. Protecia catodic cu anozi galvanici

Protecia catodic cu anozi galvanici este recomandat conductelor de diametru

mic i se lungime redus i este aplicat de mult timp.

Metoda de protecie catodic cu anozi galvanici (fig. 7) prezint o serie de avantaje,

dintre care mai importante sunt urmtoarele:

abFig.7. Protecia catodic cu anozi galvanici a conductelor subterane (a)

i a conductelor imersate n ap (b).

- poate fi aplicat n zone ndeprtate de sursele de energie electric;

- instalarea proteciei este relativ simpl;

- curentul furnizat fiind slab, nu determin apariia scnteilor, ceea ce o face

aplicabil n zone caracterizate ca fiind explozive; 105

- curentul slab generat de anozi nu influeneaz electric alte conducte sau

construcii metalice aflate n vecintatea celor protejate;

- poate fi aplicat local sau ca metod temporar de protecie.

Ca dezavantaje se pot meniona:

- randamentul proteciei este slab n soluri cu rezistivitate mai mare de 2500 -

3000 cm;

- metoda devine costisitoare cnd sunt necesari numeroi anozi pentru a se

asigura curentul de protecie;

- pentru construcia imersat n ap, anozii galvanici ataai prin sudare sau

lipire mresc masa total;

- consumul de anozi de pe traseul conductei este diferit i se impune controlul

periodic al strii proteciei i nlocuirea anozilor consumai sau a celor care nu mai

asigur curentul necesar de protecie pn la urmtoarea revizie planificat.

Prin transferarea procesului de coroziune asupra anodului activ, durata de

serviciu a acestuia este limitat. Experiena exploatrii proteciei catodice cu anozi

galvanici arat c durata de serviciu este dependent de mai muli factori, dintre care

mai importani sunt urmtorii:

- materialul, masa i aria total ale anodului;

- poziia anodului fa de conducta de protejat;

- natura umpluturii de activare din jurul anodului;

- rezistivitatea lichidului sau solului n care anodul este amplasat mpreun cu

conducta metalic protejat;

- starea proteciei pasive a conductei metalice.

Protecia catodic cu anozi galvanici este eficient dac materialele de izolare

ce acoper conducta sunt de bun calitate.

Cantitatea de curent Q pe care o poate genera un anod este proporional cu

masa acestuia i cu echivalentul electrochimic al metalului din care este executat.

Masa necesar a anodului se stabilete cu relaia:

m = FnMa.I.t. [g]

n care: I este curentul ce trebuie asigurat construciei, n A, t - timpul planificat pentru

protecie, n s; = 60 - 95 % - randamentul proteciei, dependent de materialul

anodului; Ma - masa atomic a materialului anodului (MAl = 26,981; MZn = 65,37; MMg =

24,305), n - grupa principal de oxidare (nAl = 3; nZn = 2; nMg = 2), F = 96500 A.s.

Dac masa total m se dovedete prea mare pentru un singur anod, atunci se

procedeaz la segmentarea acestuia sub form de anozi multiplii legai prin cabluri

metalice izolate electric fa de mediul de lucru, ce se ataeaz prin sudarea inimii din

oel la conduct.

Pe traseul conductei subterane, la fiecare trei anozi galvanici se prevede o priz

de potenial pentru a msura curentul debitat.

8. Materiale pentru anozii galvanici

Pentru protecia catodic a conductelor din oel sunt folosii anozi galvanici

realizai din aliaje pe baz, zinc, aluminiu sau magneziu (anexa 3).

Anozii de zinc de puritate nalt i menin potenialul constant fa de conducta

metalic imersat n ap sau ngropat ntr-un sol cu rezistivitate mic. Zincul folosit

este de tip Zn 99.99 (STAS 646-80) cu max. 14 ppm Fe (1 ppm = 10-4 %), lipsit de

plumb, cuprul, staniu, cadmiu, sau din zinc aliat cu siliciu, aluminiu, cadmiu,

magneziu, fiecare n concentraii mai mici de 0,2 %.

Viteza de coroziune a zincului n sol este dependent de rezistivitatea acestuia,

astfel:

- sol mltinos Vcor = 90100 g/m2zi

- sol argilos Vcor = 1260 g/m2zi

- sol nisipos Vcor = 410 g/m2zi

Randamentul anozilor din zinc pur poate fi mult mbuntit prin amalgamare.

Amalgamele se obin prin simplu contact al zincului cu clorura de mercur. Zincul

devine mult mai reactiv datorit formrii unui amalgam n locul oxidului de zinc, oxid

ce tinde s pasiveze metalul.

Anozii de aluminiu conin ca elemente de aliere zincul (4 6 %) i indiu (0,01

0,03 %) care ntrzie pasivarea. Fierul trebuie s fie practic absent (max. 0,1 %)

deoarece compusul FeAl3 mrete viteza de coroziune i micoreaz eficacitatea

proteciei.

Utilizarea anozilor din aluminiu pur este mai puin extins datorit potenialului

mult prea electronegativ i tendinei de blocare prin pasivare. La conductele subterane

aflate n soluri care conin sulfat de calciu, anozii din aluminiu prezint tendina de

redresare a curentului alternativ de dispersie, ceea ce constituie un mare inconvenient.

i la anozii galvanici din aluminiu randamentul crete considerabil (85 - 90 %) prin

amalgamare.

Anozii de magneziu au un puternic caracter electronegativ.

Magneziul pur este instabil n multe medii agresive. Avantajul acestora const

n faptul c dac nu se afl n contact cu un mediu cu pH > 8, nu se polarizeaz. n

mediile neutre i acide, produsele de coroziune ale magneziului nu ader la suprafaa

anodului, astfel c polarizarea este slab, nensemnat. Magneziul mrete pH-ul apei

din sol i prin aceasta se intensific procesul de coroziune n conductelor metalice

subterane aflate n imediata apropiere a conductei protejate. Pentru a evita creterea

pH-ului apei subterane, magneziul se aliaz cu aluminiu, zinc, mangan.

Aliajul pe baz de magneziu cel mai indicat pentru realizarea anozilor galvanici

destinai proteciei n sol este cel care conine 3 - 4 % Zn i 7 - 8 % Al. Aliajul cu 3 %

Al i 1 % Zn. Acest aliaj este recomandat i pentru realizarea anozilor de protecie a

rezervoarelor de ap cald i ap potabil.

9. Construcia anozilor galvanici

Construcia anozilor galvanici influeneaz direct randamentul proteciei. Cu ct

suprafaa anozilor este mai mare, cu att randamentul de curent este mai mare, dar i

consumul mai important. Pentru a asigura o durat de serviciu ct nsemnat se cere ca

la aceeai mas a anodului, aria acestuia s fie pe ct posibil mai mic. Aria minim

pentru o mas de anod maxim se obine n cazul formei sferice. Datorit dificultilor

de execuie a formei sferice, anozii galvanici se prezint sub form de bar cu

seciunea cilindric, ptrat, dreptunghiular sau trapezoidal, sau sub form de plac

etc. Dup turnare, toate suprafeele anodului lipsite de goluri i crpturi se

prelucreaz mecanic pe o adncime de cca.1 mm pentru a fi ndeprtate impuritile

aderente sau ncorporate. De asemenea, toate muchiile se rotunjesc pentru a reduce

densitatea local de curent.

Masa unui singur anod variaz n limite largi, ajungnd la 10 - 12 kg.

Anozii sunt prevzui cu o inim din oel zincat ncorporat n masa activ.

Inima poate fi sub form de bar cilindric zimat sau platband cu orificii. Pentru

unele aplicaii (rezervoare, decantoare sau conducte subacvatice) se folosesc anozi

cilindrici turnai pe o inim din cablu din oel galvanizat, diametrul acestora variind

ntre 25 i 35 mm.

Raportul ntre aria anodului i aria suprafeei de protejat trebuie s fie de 1/500

1/1000. Prevenirea pasivrii i consumrii neuniforme se asigur prin introducerea

anodului subteran ntr-un amestec regulator sau de activare, caracterizat prin

rezistivitate mic (fig. 8). Pentru anozii din Zn 99,99 amestecul regulator este format

din 80 % bentonit (STAS 2640-82) i 20 % gips mcinat (STAS 5566-78) sau 50 %

argil, 25 % gips i 25 % sulfat de sodiu. n cazul anozilor din Al-Zn 6,5 amestecul

regulator este constituit din 70 % carbonat de calciu i 30 % clorur de sodiu sau 90 %

argil, 5 % clorur de sodiu i 5 % hidroxid de calciu. Pentru anozii din magneziu,

amestecul regulator este format din 75 % gips, 20 % bentonit i 5 % sulfat de sodiu.

Fig. 8. Construcia anozilor galvanici pentru conducte subterane.

nainte de a se introduce n sac, de pe anod se ndeprteaz unsoarea de

conservare prin degresarea cu benzin sau white - spirit, dup care se spal cu

detergent i apoi cu ap. Dac anozii au fost depozitai mult timp, dup degresare se

procedeaz la ndeprtarea stratului pasivant prin rzuire sau periere.

Amestecul regulator se plaseaz uniform n stare umed n jurul anodului. Dup

nchiderea sacului, platbanda de deasupra acestuia se acoper cu bitum plastifiat SPP-

70 (STAS 2484-85).

Anozii galvanici subterani sunt plasai ntr-un sol cu umiditate ct mai mare i

stabil n timp. n cazul n care nu se asigur aceast condiie, gaura n care se afl

anodul are un taluz conic, care s favorizeze trimiterea apei din precipitaii ctre anod.

Dac intervine i degajarea puternic de gaze, se plaseaz deasupra anodului o eav

de aerisire ntr-un strat gros de pietri. Aceast eav, executat din PVC sau

polietilen, poate servi i la refacerea periodic a umiditii amestecului regulator din

jurul anodului.

Caracteristicile anozilor destinai proteciei conductelor subterane sunt

prezentate n tabelul 5.

Tabel 5

Caracteristicile tehnice ale anozilor galvanici

Caracteristici Materialul anodului

Zn Mg Al + 5

% Zn Cantitatea teoretic de curent debitat, n Ah/kg 820 2200 2860 Cantitatea real de curent, n Ah/kg 740 1080 1100 Randament, n % 90 49 39 Potenialul fa de electrodul Cu/CuSO4 , n V 1.10 1,75*) 1,05 Densitatea de curent, n mA/m2 75 -

100

- -

Tensiunea de lucru n cazul anodului legat la

conducte din oel de 0,85 V fa de electrod de

Cu/CuSO4 , n V

0,25 0,85 0,25

Consumul de anod, n kg/A.an 11,9 6,7 5,9

*) Aliaj de magneziu cu 6 % Al, 3 % Zn, 0,15 % Mn E = 1,60 V.

10. Amplasarea anozilor galvanici

La amplasarea anozilor galvanici se are grij ca solul s aib o rezistivitate ct

mai mic. Chiar pe traseele conductelor cu rezistivitate medie-mare, se pot gsi zone

cu soluri avnd o rezistivitate mai mic de 3000 m.

Distana dintre anod i conduct se stabilete n funcie de zona i configuraia

terenului i aceasta poate varia ntre 1 i 15 m. Distana va fi mai mic la conductele

neizolate i mai mare la cele cu izolaie exterioar bun.

Distana lateral a anozilor fa de conduct este de 1 m dac rezistivitatea

solului este mai mic sau cel mult egal cu 2000 cm, asigurndu-se protecia pe o

lungime de 100 m. n solul ru conductor, cu rezistivitatea de 20.000 cm, anodul

plasat la o distan de 30 m de conduct, nu se asigur protecia dect pe lungime de

10 m.

n practic, avndu-se variaia rezistivitii solului, anozii se instaleaz de o

parte i de alta a conductei la o distan de aceasta de 12 - 15 m.

Anozii galvanici se plaseaz n guri forate cu adncimea de 1,8 - 2,5 m.

Adncimea de amplasare se stabilete astfel nct zona central a anozilor s fie la

nivelul conductei de protejat. Se poate mri adncimea la care se ngrop anodul acolo

unde apa freatic are un nivel variabil. Oricum, adncimea ce corespunde captului

superior al anodului trebuie s fie mai mare dect adncimea de nghe.

n locurile n care conducta este adnc ngropat, anodul nu trebuie plasat la o

adncime mai mare de 2,5 m. Aici anodul se plaseaz n poziie orizontal n peretele

anului la nivelul zonei centrale a conductei.

nainte de lansarea anodului, pereii gurii se mbib cu ap. Operaia de mbibare se

repet dup lansare. La anozii din Zn 99,99 nu se admite reducerea rezistivitii solului

din jur prin adugarea de clorur de sodiu n apa de umezire.

Dup instalare se msoar curentul debitat de fiecare anod i potenialul

anodului fa de sol.

Pentru anozii din magneziu, un curent mai mic de 60 mA/anod nseamn o

ncrcare slab, ceea ce permite reducerea numrului acestora la jumtate. Cnd

curentul este mai mare de 300 mA/anod, numrul anozilor trebuie dublat. Pentru

anozii de zinc cu d = 60 mm i l = 350 mm, avnd masa de 7,5 kg, curentul admis este

cuprins ntre 30 i 150 mA/anod.

nainte de conectarea anodului la conduct se msoar din nou diferena de

potenial a acestuia fa de sol. Dac fa de electrodul de referin Cu/CuSO4 diferena

de potenial a anodului de zinc este de 1,1 V i a celui de magneziu este de 1,5 - 1,6 V,

nseamn c instalarea este corespunztoare (umplutur adecvat, grad de umezire

bun, legtur electric sigur etc.).

Schema de montaj a unui singur anod galvanic vertical este prezentat n figura

9. Dac un singur anod nu asigur curentul necesar se procedeaz la amplasarea de

anozi multipli dispui vertical sau orizontal n lungul conductei (fig. 10).

Cablurile de nseriere i cablul de legare a conductei la priza de potenial au o

seciunea minim a cuprului de 25 mm2 i sunt izolate la exterior. Lipirea cablurilor se

face cu paste pe baz de argint, care nu conduc la crearea punctelor calde n punctele

de lipire.

Pentru a fi uor reperate amplasamentele i poziiile anozilor, locurile sunt

marcate pe planul traseului conductei subterane.

Verificarea rezistenei de legare la pmnt prin intermediul anozilor galvanici se

face conform STAS 6119-78.

Fig. 9. Montajul unui singur anod galvanic.

Fig. 10 Montajul anozilor galvanici multipli.

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

legarea lor n serie. La suprafaa solului anozii multiplii sunt legai ntre ei prin cabluri

la bara comun de alimentare a conductei. n felul acesta, la verificrile periodice care

se fac, se poate stabili cu uurin anozii defectai. Punctul vulnerabil este locul n care

se face legtura dintre anod i cablu, unde izolaia electric se poate degrada.

Procedeul de protecie catodic cu anozi galvanici este recomandat a fi asociat

cu ntreruperea continuitii conductei prin montarea de legturi electroizolante.

Poziia acestora se stabilete prin msurtori i corespunde distanei la care potenialul

msurat nu depete cu mai mult 0,1 V potenialul de protecie stabilit pe baza

criteriilor proteciei catodice.

Protecia prin ntreruperea continuitii electrice a conductei, dublat de

protecia exterioar prin acoperire se recomand i pentru zone caracterizate ca fiind

foarte agresive. Lungimea unui tronson prevzut la capete cu jonciuni izolante este

egal cu lungimea zonei cu agresivitate foarte mare.

Devine obligatorie montarea jonciunilor izolante la traversarea pe poduri sau

estacade metalice, la traversarea subteran a oselelor, cilor ferate electrificate, a

cablurilor electrice subterane, a apelor curgtoare etc.

Nu n puine situaii se procedeaz la nlocuirea unui tronson din conduct

protejat catodic. Necesarul de curent al noului tronson este mai mare dect al restul

conductei, deoarece acesta nu prezint strat pasivant. Din acest motiv, pe lungimea

tronsonului nou se plaseaz n plus 2 - 4 anozi la distane egale pentru a asigura

curentul suplimentar necesar.

Din cele prezentate rezult c pentru conductele subterane, acoperite cu diverse

materiale de izolare, lipsite de interconexiuni cu alte conducte sau structuri metalice, n

absena curenilor de dispersie, stabilirea parametrilor de lucru ai proteciei catodice cu

anozi galvanici presupune parcurgerea urmtoarelor etape:

1 - msurarea rezistivitii solului la adncimea de pozare a conductei, de-a

lungul ntregii conducte, prin metoda celor 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 (fig. 11);

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 (tabelul 6); pentru

anozii din zinc, necesarul aproximativ de curent se poate stabili pe baza diagramei din

figura 12;

6 - stabilirea distanei ntre anozii multiplii, conform tabelului 7;

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

procesul de protecie se stabilizeaz i pentru confirmarea compatibilitii proteciei

catodice cu protecia pasiv existent.

Fig. 11. Tronsonarea conductei la traversarea solurilorcu agresivitate mult diferit.

Fig. 12. Necesarul de curent n funcie de rezistivitatea solului.

Tabelul 6Densitatea de curent pentru conducte cu diferite caliti de izolaie

Calitatea izolaiei exterioare a conductei Densitatea necesar de curent,

n mA/m2Neacoperit 50 - 200Grunduit 4 - 15

Acoperit cu vopsea bituminoas 2 - 10Acoperit cu vopsea cu pulbere de zinc 1 - 2

Acoperit cu vopsea pe baz de bitum de petrol

cu pulbere de Zn

0,2 - 0,5

Acoperit cu bitum de petrol i psl 0,3 - 8nfurat la cald cu iut impregnat cu bitum

de petrol

4 - 60

Acoperit cu bitum armat cu fibre de sticl 0,01 - 0,08Acoperit cu complexul bitum-clorur de vinil 0,05 - 0,2

Acoperit la cald cu strat gros de bitum 0,5 - 5Acoperit cu copolimeri vinilici 0,01 - 0,1

Vopsit i acoperit cu material plastic 0,005 - 0,5Acoperit n mai multe straturi cu materiale

plastice

0,005 - 0,1

Tabelul 7Distana dintre anozii de zinc

Necesarul de

curent,

n mA/km i in

Distana maxim dintre anozi de

zinc, n km

310 1,531 53,1 14

0,62 290,124 640,031 128

11. Protecia catodic cu surs exterioar de curent

Protecia catodic cu surs exterioar de curent a conductelor subterane este

indicat n cazul unui necesar important de curent, cnd folosirea anozilor galvanici

devine scump.

Pentru ca protecia catodic cu surs exterioar de curent s poat da rezultate

bune trebuie ca pe ntreaga suprafa a conductei s se asigure o densitate optim de

curent, denumit densitate minim de protecie.

Curentul necesar proteciei catodice este asigurat de o staie alimentat de la

reeaua electric de distribuie sau de un generator propriu. Acest curent redresat este

aplicat pe un anod auxiliar, aflat n apropierea conductei metalice de protejat.

Clasificarea staiilor de protecie catodic, conform SR ISO 733511:2001 se

face pe baza mai multor criterii:

- dup modul de amplasare:

- n exterior pe fundaie de beton, pe stlp de beton sau pe perete;

- n interior.

- dup modul de aciune:

- cu reglare manual;

- cu reglare automat;

- cu reglare mixt.

Anozii auxiliari, unici sau multipli, alimentai de o staie pot fi de suprafa sau

de adncime, poziia acestora fiind orizontal, vertical sau mixt.

12. Construcia staiei de protecie catodic

Principalele componente ale staiei de protecie catodic sunt urmtoarele: - ansamblul transformator-redresor; - aparatele de msur pentru curent i tensiune; - dispozitivele de protecie, comutare i avertizare; - conexiunile electrice; - sistemul de reglare automat a parametrilor de curent; - electrodul de referin nepolarizabil; - priza anodic; - instalaia de legare la pmnt; - priza de potenial; - cablurile de legtur. n figura 13 se prezint schema de principiu a unei staii de protecie catodic.

Transformatorul staiei trebuie s respecte condiiile tehnice din STAS 1703/1.

ntre nfurrile lui este plasat un ecran conectat la priza de pmnt. nfurarea

secundar are un minimum de 20 trepte comutabile de max. 2 V, fiecare treapt

permind reglarea brut i fin a tensiunii de alimentare a redresorului. Curentul

maxim debitat este de ordinul a 16 A.

Redresorul, conform condiiilor tehnice din STAS 10954, asigur redresarea

ambelor alternane. Protecia redresorului cu siliciu se asigur cu 115

sigurane fuzibile ultrarapide, iar la redresoarele cu seleniu, cu sigurane fuzibile

rapide.

Pentru msurarea potenialelor de protecie se folosesc milivoltmetre cu o

impedan de min. 1 M/V.

Sistemul automat de meninere constant a potenialului n funcie de semnalul

dat de electrodul de referin trebuie s menin potenialul de protecie cu abateri de

10 mV.

Fig. 13. Schema general a unei staii de protecie catodic.

La ieirea din staie se afl cutia de conexiuni prevzut cu rezistoare reglabile

pentru modificarea curentului de protecie din conducta deservit. Pe circuitul

rezistoare-priza anodic se nseriaz un ampermetru de curent continuu.

Staiile moderne de protecie sunt prevzute cu ntreruptoare electronice

programabile, care permit conectarea i deconectarea controlat a alimentrii anozilor

pentru a se msura potenialul de protecie ON/OFF n raport u electrodul nepolarizabil

Cu-CuSO4 .

Potenialul ON este potenialul msurat la priza de potenial cnd staia de

protecie catodic este n funciune.

Potenialul OFF este potenialul msurat la priza de potenial pe o perioad de

maximum 3 s de la oprirea staiei de protecie catodic.

Pentru msurarea potenialului de protecie, treptele de reglare ON/OFF ale

ntreruptorului ciclic programabil sunt 0,3s/0,6s, 1s/3s, 3s/6s i 6s/12s.

Pe lng acesta, staiile moderne mai conin sisteme de afiare continu a

curentului i potenialului de protecie, de nregistrare a tuturor parametrilor

funcionali i de reglare automat a parametrilor de lucru.

nainte de punerea n funciune a staiei se verific rezistenele electrice ale

conexiunilor (max. 0,1 ), ale izolaiilor conexiunilor (min. 10 kV n curent continuu),

rezistena de dispersie a anozilor auxiliari, parametrii de funcionare ai staiei.

Dup efectuarea tuturor acestor verificri, curentul de alimentare este mrit

progresiv pn cnd conducta protejat se polarizeaz la valoarea nominal.

Timpul de bun funcionare a staiei, definit prin STAS 8742-79 se consider de

minimum 6 luni. Ori, n condiiile actuale, un timp aa de scurt de bun funcionare nu

poate fi acceptat. Pentru a se prelungi durata de bun funcionare, toate legturile

electrice trebuie s fie executate conform normelor i protejate cu materiale dielectrice

care s nu se degradeze pe durata planificat de exploatare. Izolarea cablurilor se face

de regul cu polietilen de nalt densitate. Cablurile din interiorul staiei sunt astfel

poziionate nct s nu fie expuse unor degradri mecanice ntmpltoare.

Staiile moderne de protecie catodic sunt prevzute cu un sistem de

teletransmitere a datelor referitoare la deviaiile de la normal ale parametrilor

funcionali, cum ar fi tensiunea sursei la bornele diodelor, curentul injectat, potenialul

electrodului de referin i n mod automat se acioneaz n sensul corectrii i reglrii.

Prin valorile transmise se detecteaz n timp util defectele diodelor redresoare

ntrerupte sau scurtcircuitate, siguranele arse, precum i prezena i mrimea

curenilor de dispersie, care pe durata unei zile i modific valoarea.

Pentru asigurarea funcionrii sigure ndelungate, instalaia de teletransmitere

este alimentat de la o baterie proprie, de regul cu litiu. Dotnd staiile de protecie

catodic cu un asemenea sistem se reduc mult cheltuielile de personal i se mrete

sigurana n exploatare datorit detectrii foarte rapide a eventualelor deranjamente.