Chiedi a chiunque abbia osservato per dieci anni un muro di pali d'acciaio in un fiume soggetto alla marea e ascolterai la stessa storia. La struttura sembra a posto per anni, poi la perdita di sezione appare appena sotto la bassa marea, esattamente dove nessuno può vederla. La protezione catodica e gli anodi sacrificali esistono per interrompere quella storia. Non sono una nuova tecnologia e non sono complicate una volta eliminato il gergo, ma sono anche facili da specificare in modo errato. Questa guida illustra come funzionano i due metodi, come viene dimensionato nella pratica un sistema di anodi e dove l'intera conversazione cambia una volta che la parete stessa è realizzata in polimero anziché in acciaio.

Cosa fa effettivamente la protezione catodica

L'acciaio si corrode perché forma una cellula elettrochimica con l'ambiente circostante. Una parte della superficie si comporta come un anodo e cede ioni ferro all'acqua o al suolo, liberando elettroni. Un'altra parte si comporta come un catodo, dove gli elettroni vengono consumati. L'elettrolita (acqua di mare, acqua salmastra, terreno umido) trasporta la corrente ionica e l'acciaio stesso trasporta la corrente elettronica. Rimuovi uno qualsiasi di questi tre elementi e la corrosione si arresta.

La protezione catodica affronta il problema dal lato elettrico. Invece di lasciare che l'acciaio fornisca i propri elettroni nei siti anodici, si alimentano gli elettroni da una fonte esterna. Le aree attive vengono spinte in uno stato catodico e passivo. In effetti non si ferma tanto la reazione di corrosione quanto si dà il via ad essa da qualche altra parte.

Ci sono solo due modi per fornire quegli elettroni. O si collega l'acciaio a un metallo più reattivo che si corrode al suo posto (un anodo sacrificale, o galvanico), oppure si immette corrente nella struttura da un alimentatore attraverso anodi inerti (protezione catodica a corrente impressa, solitamente abbreviata in ICCP).

Come funziona un anodo sacrificale

Un anodo sacrificale è semplicemente un pezzo di metallo meno nobile dell'acciaio che protegge. Collega i due elettricamente, inseriscili entrambi nello stesso elettrolita e l'anodo diventa la superficie corrosiva. I pali in acciaio in un molo sono spesso dotati di braccialetti in lega di zinco o alluminio imbullonati alla rete o staffe distanziatrici saldate sulla linea del parafango. L'anodo si dissolve lentamente; la pila rimane intatta.

Poiché la tensione di pilotaggio deriva dalla differenza di potenziale tra i due metalli, non è necessaria alcuna alimentazione esterna. Questo è il grande punto di forza degli impianti galvanici e anche del loro soffitto. La tensione è piccola, quindi la corrente che raggiunge una superficie distante o ben rivestita è limitata e l'anodo ha una massa finita che viene consumata durante la vita prevista. Quando gli anodi vengono meno, la protezione viene meno, motivo per cui l'accesso sostitutivo è importante tanto quanto il calcolo iniziale.

Abbinare il metallo dell'anodo all'acqua

La scelta dell’anodo riguarda principalmente l’elettrolita. Resistività, salinità, temperatura e ossigeno disciolto sono tutti fattori che spostano la scelta, e sbagliare di solito significa o massa sprecata o, peggio, un'iperprotezione che danneggia il rivestimento che avrebbe dovuto aiutare.

Il magnesio è deliberatamente escluso dall'acqua di mare. La sua tensione di pilotaggio più elevata è utile su terreni asciutti e resistenti, ma in acqua salata può spingere il potenziale dell'acciaio abbastanza negativo da generare idrogeno in superficie e provocare vesciche sul rivestimento. Inoltre viene consumato più velocemente di quanto suggerisca la matematica. Le leghe di zinco e alluminio sono i cavalli di battaglia del mondo marino proprio per questo motivo.

Anodi sacrificali o corrente impressa?

Per una singola palancola corta con accesso ragionevole per i subacquei o una piccola imbarcazione, gli anodi galvanici sono difficili da battere. Non vi è alcun raddrizzatore del trasformatore da alloggiare, nessun cablaggio da proteggere, nessun alimentatore che possa guastarsi e il sistema è essenzialmente esente da manutenzione fino a quando gli anodi non devono essere sostituiti.

L’ICCP vince sulle strutture più grandi. Un lungo molo con centinaia di pali, o una struttura in cui gli anodi si trovano in slitte remote sul fondo del mare, necessitano di più corrente di quella che un sistema galvanico può fornire. Gli anodi a corrente impressa, tipicamente titanio o grafite rivestiti con ossido di metallo misto, possono essere pilotati a una tensione molto più elevata e l'uscita può essere regolata man mano che il rivestimento si degrada o l'ambiente cambia. In cambio accettate costi di capitale più elevati, un fabbisogno energetico permanente, apparecchiature di monitoraggio e un sistema di cui deve occuparsi un operatore competente.

Una regola empirica ragionevole: se la domanda attuale è modesta e la struttura è compatta, restate galvanici. Se stai proteggendo migliaia di metri quadrati di acciaio e desideri un pannello di controllo invece di diverse tonnellate di alluminio, guarda la corrente impressa.

Dimensionamento di un sistema: corrente, area e tempo

Ogni progetto inizia con la domanda attuale e la domanda attuale inizia con l'area bagnata:

• Calcolare la superficie immersa e sepolta dell'acciaio da proteggere.
• Moltiplicare per la densità di corrente di progetto per quell'ambiente, solitamente espressa in milliampere per metro quadrato.
• Applicare un fattore di rottura del rivestimento se l'acciaio è verniciato, perché un rivestimento che oggi è intatto al 95% non lo sarà più tra quindici anni.

Una rapida illustrazione. Seicento metri quadrati di acciaio nudo in acqua di mare a 25 mA/m² necessitano di circa 15 A. Per mantenerlo per vent'anni sono necessari circa 2,6 milioni di ampere-ora di carica, che a 2.000 Ah/kg equivalgono a circa 1,3 tonnellate di materiale anodico in lega di alluminio prima che venga applicato qualsiasi fattore di utilizzo. Questo è il numero che sorprende chi pensava che gli anodi fossero un piccolo accessorio.

Due dimensioni controllano due cose diverse. La lunghezza dell'anodo, e quindi l'area superficiale, determina la quantità di corrente che l'anodo può espellere in qualsiasi momento. La sezione trasversale dell'anodo, e quindi la massa, determina per quanto tempo può continuare a farlo. Un anodo lungo e sottile fornisce una corrente elevata per una vita breve; uno basso e grasso dà il contrario. I buoni progetti bilanciano entrambi con l'intervallo di sostituzione con cui il proprietario può effettivamente convivere.

Limiti che vale la pena conoscere prima di specificare

La protezione catodica funziona solo dove è presente un elettrolita continuo e un percorso elettrico libero. Ciò crea alcuni limiti pratici:

• La zona degli spruzzi e tutto ciò che si trova sopra non può essere protetta perché non c'è acqua per trasportare la corrente. Quella fascia necessita di spessore del rivestimento, tolleranza alla corrosione o materiale completamente diverso.
• Le superfici schermate, come l'acciaio nascosto dietro un paraurti stretto o intrappolato in una fessura, ricevono poca o nessuna corrente, indipendentemente dal numero di anodi posizionati nelle vicinanze.
• Le correnti vaganti provenienti da set di saldatura, sistemi tramviari o altre installazioni CP vicine possono accelerare la corrosione sull'acciaio non protetto anziché prevenirla.
• L’iperprotezione è una vera modalità di fallimento. Una corrente eccessiva danneggia i rivestimenti, spreca la massa anodica e, sugli acciai ad alta resistenza, solleva problemi di infragilimento da idrogeno.

Cosa significa per le palancole polimeriche

Ecco la parte della conversazione che spesso viene saltata. La protezione catodica protegge l'acciaio. Una palancola in vinile o PVC è un materiale dielettrico: non c'è ferro per cedere ioni, nessuna cella elettrochimica per interrompere e nessun anodo che potrebbe fare qualcosa di utile anche se ne fissassi uno al pannello. Quando un progetto passa dall'acciaio alle palancole polimeriche, il pacchetto di protezione catodica solitamente scompare del tutto, insieme al raddrizzatore, al controllo annuale e al programma di sostituzione dell'anodo.

Ciò non rende i polimeri la risposta a ogni problema. Deve essere selezionato per i carichi giusti, il terreno giusto e la giusta esposizione, e il muro necessita ancora di una progettazione sensata. Ma laddove il fattore determinante per la protezione era l’attacco da cloruro, l’acqua salmastra o un orizzonte di manutenzione molto lungo, l’economia di Palancole in PVC resistente alla corrosione spesso sembrano molto diversi da una parete in acciaio più vent'anni di sostituzione dell'anodo.

Un avvertimento dal laboratorio: molte delle cosiddette pareti polimeriche contengono ancora acciaio. Tiranti, piastre di ancoraggio, traverse e staffe di collegamento sono spesso in acciaio zincato o rivestito e rimangono completamente esposti alla stessa elettrochimica sopra descritta. Questi componenti potrebbero comunque meritare anodi o un cambio di materiale, anche quando la palancola stessa è inerte. Lo vediamo più spesso su pareti in palancole viniliche nelle opere marittime , dove i pannelli sono polimerici ma l'ancoraggio dietro il muro no.

Monitoraggio e manutenzione in termini semplici

Un sistema galvanico può essere controllato con un elettrodo di riferimento e un voltmetro ad alta impedenza. Per l'acciaio in acqua di mare, un criterio di accettazione comune è un potenziale di circa -0,80 V rispetto a un riferimento argento/cloruro d'argento, o uno spostamento di 100 mV rispetto al potenziale di libera corrosione misurato prima dell'installazione. Qualunque sia il criterio adottato dal progetto, registrate le letture iniziali, perché sono l’unica linea di base che potrà mai esistere.

Le indagini sono generalmente annuali o semestrali. I risultati utili sono il potenziale di protezione lungo la parete, il consumo dell'anodo rispetto al tasso previsto e qualsiasi segno che il rivestimento si sia rotto più velocemente del previsto. Se gli anodi vengono consumati più velocemente del previsto, la domanda attuale è stata sottostimata e l’adeguamento deve avvenire prima che la protezione crolli.

Domande che sentiamo dai team di progetto

Posso aggiungere anodi a un muro esistente?

Sì, ed è comune. I subacquei possono montare braccialetti e anodi distanziatori e sistemi di anodi remoti possono essere posizionati sul fondale marino nelle vicinanze. Il vincolo è solitamente l'accesso e le condizioni dell'acciaio esistente, non la teoria.

Ho bisogno della protezione catodica se l'acciaio è ben rivestito?

Un buon rivestimento riduce drasticamente la domanda di corrente, ma non elimina la necessità di proteggere ogni difetto, bordo e saldatura. I codici di progettazione presuppongono un fattore di rottura del rivestimento proprio per questo motivo.

Una parete polimerica necessita di protezione dalla corrosione?

I pannelli no, ma ogni componente in acciaio del sistema sì. Controllare gli ancoraggi, i collegamenti e tutto ciò che rimane bagnato.

Dieci anni di costruzione di palancole ci hanno insegnato che le decisioni sulla corrosione vengono solitamente prese presto, con informazioni incomplete, e poi convinte per decenni. Se il tuo progetto si dirige verso un pacchetto di protezione catodica, dimensionalo correttamente e stabilisci un budget per la sostituzione fin dal primo giorno. Se si dirige verso una parete priva di acciaio, assicurati che l'intero sistema sia privo di acciaio, non solo la parte visibile dall'acqua. In ogni caso, saremo lieti di discutere l'aspetto materiale di tale decisione con i vostri ingegneri.