Współczesne problemy ochrony katodowej

WOJCIECH SOKÓLSKI
ochrona przed korozja
7/2011
SPZP CORRPOL Gdańsk
Polski Komitet Elektrochemicznej Ochrony przed Korozją SEP
Współczesne problemy ochrony katodowej
Na kanwie historycznego rozwoju technologii ochrony katodowej zaprezentowano zasadnicze trudności w stosowaniu tej technologii zabezpieczeń
przeciwkorozyjnych, która to stale wymaga obsługi przez wyspecjalizowany
i doświadczony personel ochrony katodowej. Omówiono zachodzące zmiany w stosowaniu kryteriów ochrony katodowej oraz toczącą się obecnie
dyskusję na ten temat wobec nowych rzeczywistych zagrożeń korozyjnych
konstrukcji podziemnych. Przedstawiono istotę problemów stosowanych powszechnie technik pomiarowych i potrzebę poszukiwania nowych rozwiązań
w tej dziedzinie. Wskazano na korozymetrię rezystancyjną w zastosowaniach
do oceny skuteczności działania ochrony katodowej, jako wiarygodne źródło
informacji niewymagające do jego interpretacji angażowania specjalisty.
Słowa kluczowe: ochrona katodowa, historia, kryteria, problemy, korozymetria
Contemporary problems of the cathodic protection
Basing on the historic development of cathodic protection technology, principal difficulties have been presented in the application of this anticorrosion protection technology, still requiring operation by a specialist and experienced cathodic protection
personnel. Proceeding changes in application of cathodic protection criteria have
been described, as well as the presently conducted discussion on new real corrosion
hazards to underground structures. The significance of problems of generally applied
measurement techniques has been indicated and the need for searching for new solutions in this field as well. In applications for assessment of cathodic protection effectiveness resistance corrosimetry has been indicated as a reliable source of information not requiring which does not require a specialist as an interpreter.
Keywords: cathodic protection, history, criteria, problems, corrosimetry
1. Wprowadzenie
Słowo „problem” oznacza trudną sytuację,
z której należy znaleźć wyjście, lub poważną
sprawę, która wymaga przemyślenia i rozstrzygnięcia. Technologia ochrony katodowej,
której zasady zostały opisane blisko 190 lat
temu, i która od ponad 50 lat masowo stosowana jest w technice, nieustannie napotyka
się na szereg problemów natury teoretycznej
i praktycznej. Najważniejszym z nich jest niejednoznaczne kryterium ochrony katodowej.
Powszechnie uważa się, że metoda ta najpierw zastosowana została w praktyce, a dopiero później opracowano jej podwaliny
teoretycznej, ale to zapewne nie jest prawdą.
Pierwsze prace opublikował w roku 1824 [1]
Sir Humphry Davy, który zastosował w praktyce tego rodzaju zabezpieczenie przeciwkorozyjne do miedzianego poszycia okrętów
wojennych, zaś jego asystent Michael Faraday
kilka lat później określił podstawy współczesnej elektrochemii. Zapewne w tamtych czasach stworzona teoria w zupełności tłumaczyła zasadę ochrony katodowej.
Potencjałowe kryterium ochrony katodowej
rzeczywiście sformułowane zostało na podsta-
Ochrona przed Korozją, vol. 54, nr 7
wie doświadczeń przemysłowych zebranych
przez Kuhn’a dopiero w roku 1933 [2], gdy
metodę tę upowszechniono do zabezpieczenia przeciwkorozyjnego naftociągów w USA
[3]. Zostało ono zweryfikowane niezależnie
przez Hoar’a w 1937 [4] oraz Mearsa i Browna w roku 1938 [5]. Wskazywało ono wartość
potencjału -0,85 V wgl. elektrody Cu/nas.
CuSO4 jako wystarczającą do zahamowania
procesów korozyjnych w warunkach aerobowych oraz -0,95 V w warunkach anaerobowych. I chociaż do dnia dzisiejszego kryterium to ciągle budzi szereg kontrowersji, bo
przecież szybkość procesów korozyjnych zależy nie tylko od potencjału, ale także czynników materiałowych i środowiskowych, to taki
właśnie zapis znalazł się w pierwszym dokumencie normatywnym utworzonym w Wielkiej Brytanii w roku 1957 przez „Połączony
komitet do koordynacji ochrony katodowej
konstrukcji podziemnych” [6] i taki znajduje
się we współczesnych normach europejskiej
PN-EN 12954 [7] oraz PN-EN 13636 [8]. Jednocześnie w dokumentach tych, niejako równolegle, pojawiło się kryterium kinetyczne,
wg którego przyjmuje się, że konstrukcja jest
w dostateczny z technicznego punktu widzenia zabezpieczona przed korozją, jeśli szybkość korozji tego obiektu nie jest większa niż
10 μm/rok. Potrzebę kinetycznego podejścia
do kryteriów ochrony katodowej, po analizie
szeregu doniesień literaturowych i licznych
własnych doświadczeń, sformułowano po raz
pierwszy w Polsce w roku 1993 [9].
2. Omowy spadek napięcia IR
Stosowanie powszechnie przyjętego kryterium potencjałowego (termodynamicznego)
sprawia szereg niedogodności w warunkach
rzeczywistych, ponieważ pomiar potencjału
podczas polaryzacji katodowej zabezpieczanej konstrukcji, np. w ziemi, obarczony jest
zawsze błędem, wynikającym z faktu umieszczenia elektrody pomiarowej w polu elektrycznym wytworzonym przez prąd ochrony
katodowej. Do mierzonej wartości dodaje się
nieokreślony co do wielkości spadek napięcia
i odczyt potencjału jest zawsze zafałszowany.
Fakt ten podważa zasadność stosowania kryteriów potencjałowych ochrony katodowej.
Pomimo tego, że problem ten był znany od
dawna, bo opisany przez Pearsona już w roku
1944 [10], zauważony został po szeregu niepowodzeń w stosowaniu ochrony katodowej
dopiero w latach sześćdziesiątych (ZSRR)
i szerzej „rozpracowany” na całym świecie
w latach siedemdziesiątych. W następnym
dziesięcioleciu powstało szereg metod eliminowania „omowego spadku napięcia IR”
i pomiaru rzeczywistej wartości potencjału
konstrukcji podczas polaryzacji katodowej.
Z góry można powiedzieć, że żadna z tych
metod do dnia dzisiejszego nie została uznana
jako bezbłędna, chociaż powszechnie stosuje
się metody tzw. wyłączeniowe, polegające na
pomiarze potencjału tuż po wyłączeniu prądu ochrony katodowej. Została do tego celu
skonstruowana specjalna aparatura umożliwiająca synchroniczne wyłączenie wszystkich
oddziaływujących w miejscu pomiaru potencjału źródeł prądu ochrony katodowej, a metodę znormalizowano. W miarę postępu techniki
urządzenia te zostały wyposażone w najnowsze rozwiązania, m.in. wykorzystujące technikę satelitarną.
Niestety, możliwość wykorzystania metod wyłączeniowych okazała się ograniczona
jedynie do prostych przypadków i całkowicie nie zdała egzaminu w obecności obcych
oddziaływań, np. prądów błądzących, oraz
w okolicznościach nieco bardziej skomplikowanej konfiguracji konstrukcji chronionych,
np. podziemnej infrastruktury miejskiej lub
przemysłowej.
119
3. Elektrody symulujące
Kolejną próbą rozwiązania problemów pomiarowych potencjału stała się tzw. „elektroda
symulująca”, której stosowanie upowszechniło się w latach dziewięćdziesiątych w różnych
krajach (Rosja, Europa, USA, Japonia i inne
[11–15]). Idea tego rozwiązania polega na
tym, że w najbliższym sąsiedztwie metalowej
konstrukcji podziemnej poddawanej ochronie
katodowej umieszcza się elektrodę stalową
o określonej powierzchni i łączy się ją za pomocą przewodu z tą konstrukcją. Utworzone
w ten sposób zwarte ogniwo, dążąc do wyrównania potencjałów powoduje, że elektroda stalowa przyjmuje potencjał chronionego obiektu, a ściślej mówiąc – metalowych powierzchni kontaktujących się z otaczającym elektrolitem. Elektroda ta symuluje defekt w izolacji na
powierzchni chronionego obiektu. Aby uniknąć omowego spadku napięcia w przestrzeni
pomiędzy elektrodą symulującą a elektrodą
odniesienia, na czas pomiaru elektrodę odłącza się od chronionej konstrukcji, zazwyczaj
w sposób zsynchronizowany z wyłączeniem
prądu ochrony katodowej. Jeśli na elektrodzie
symulującej spełnione jest kryterium ochrony
katodowej, to należy oczekiwać, że na wszystkich w pobliżu znajdujących się defektach
w powłoce izolacyjnej na powierzchni zabezpieczanego obiektu o powierzchni równej lub
mniejszej od powierzchni elektrody symulującej kryterium to także zostanie spełnione.
Nie prędko personel obsługujący instalacje
ochrony katodowej przyzwyczaił się i opanował nowe zasady zabudowy w terenie elektrod
symulujących oraz odmienną technikę pomiarów. Obecnie, już po około 20 latach stosowania, metodologia ta przyjęła się i pomimo tego,
że wykonanie pomiarów jest dość złożone, nie
ma szczególnych wątpliwości w interpretacji
wyników uzyskiwanych na elektrodzie symulującej i odnoszeniu ich do zabezpieczanej
konstrukcji, np. rurociągu, zbiornika podziemnego itp. obiektu. Takie podejście uznane jest w normach europejskich [7, 8] oraz
amerykańskich [16, 17]. To nie znaczy, że nie
posiada ono wszystkich wad kryterium potencjałowego ochrony katodowej.
4. Korozymetria rezystancyjna
Rozwój zastosowania w warunkach przemysłowych elektrod symulujących stał się
podstawą obserwowanej obecnie ekspansji
korozymetrii rezystancyjnej wykorzystywanej
do oceny skuteczności działania ochrony katodowej. Wykonany w postaci elektrody symulującej stalowy czujnik korozymetryczny nie
tylko stwarza możliwości wykonania na nim
wszelkiego rodzaj pomiarów potencjałowych
i prądowych, ale także pozwala na bezpośrednie określenie w sposób bardzo precyzyjny
jego ubytków korozyjnych z dokładnością
lepszą niż 1 μm/rok. Cechą najważniejszą jest
to, że do pomiaru szybkości korozji nie stosuje
się tu metody elektrochemicznej, zależnej od
lokalnych warunków polaryzacji, ale metodę
elektryczną – porównawczego pomiaru rezystancji. Zastosowanie wprost tej techniki, jako
120
kryterium ochrony katodowej, kładzie kres toczonej przez lata wokół tej kwestii dyskusji,
ponieważ korozymetryczny wynik pomiaru
określony metodą instrumentalną nie zależy
od wiedzy, umiejętności i doświadczenia ekipy pomiarowej – tak niezbędnych cech przy
dotychczasowym posługiwaniu się kryterium
potencjałowym.
Początki wprowadzania korozymetrii rezystancyjnej sięgają lat 50. ubiegłego wieku
[18, 19]. Technika ta została z powodzeniem
wdrożona w wielu dziedzinach przemysłu
umożliwiając bieżącą kontrolę zagrożenia korozyjnego lub skuteczności ochrony rożnych
konstrukcji metalowych w szerokiej gamie
środowisk korozyjnych, m.in. do monitorowania korozji w instalacjach rafineryjnych [20],
przemyśle chemicznym [21], jak również
w warunkach atmosferycznych [22]. Obecnie
jest ona dobrze udokumentowana i cieszy się
wysoką wiarygodnością [16, 23, 24]. W Polsce pierwsze sondy rezystometryczne oraz
współpracujące z nimi korozymetry zostały
opracowane w latach siedemdziesiątych [25,
26]. Pierwsze zastosowania praktyczne korozymetrii rezystancyjnej w technologii ochrony
katodowej konstrukcji podziemnych odnotować należy w latach dziewięćdziesiątych [27,
28]. Od tego czasu obserwuje się stały rozwój
tej techniki pomiarowej [29–33] i wzrost zainteresowania przemysłowego [34].
4. Podsumowanie
Wydaje się, że jeden z głównych problemów ochrony katodowej, jakim od dawna jest
brak możliwości wykonania prawidłowego
pomiaru potencjału chronionej konstrukcji
celem porównania z kryterium oceny jej skuteczności, staje się coraz mniej aktualny, ponieważ w to miejsce wykorzystywana może
być bezpośrednia technika pomiaru szybkości
korozji za pomocą korozymetrii rezystancyjnej. Jej podstawowymi zaletami są:
– niezależność istoty pomiaru od polaryzacji
elektrochemicznej,
– instrumentalny charakter niezależny od
umiejętności osoby wykonującej pomiar.
LITERATURA
1. H. Davy: Phil. Trans. Roy. Soc., 114, 151,
242 and 328 (1824).
2. R.H. Kuhn: Cathodic protection of underground pipelines from soil corrosion, Proceedings of the American Petroleum Institute,
[IV] 14.153, (1933).
3. L.F. Scherer: Oil and Gas Journal, (1939).
4. T.P. Hoar: Journal of the Electrodepositors
Technical Society, 14, (1937).
5. R.B. Mears and R.H. Brown: A theory of cathodic protection, Transactions of the Electrochemical Society, 74.519, (1938).
6. M. Roche: A comparison of standards and
practices for assessing external corrosion
prevention of buried pipelines, EUROCORR
2008.
7. EN 12954:2001 Cathodic protection of buried or immersed metallic structures - General
principles and application for pipelines.
8. EN 13636:2004 Cathodic protection of buried metallic tanks and related piping.
9. R. Juchniewicz, J. Jankowski, W. Sokólski
i J. Walaszkowski: Ochrona przed Korozją,
36, 121 (1993).
10. J.M. Pearson: Concepts and methods of cathodic protection, The Petroleum Engineer,
April 1944.
11. J. Polak: Ochr. przed Korozją, 23, 1 (1980).
12. W.I. Baeckmann, W. Prinz: New developments in measuring the effectiveness of cathodic protection, Corr. Australasia, Vol. 8,
No. 1, 4-9 (1983).
13. R.A. Gummow: Mater. Perform., 37, (No. 8),
24 (1998).
14. C. Stears, R. Degerstedt, O. Moghissi i
L. Bone: Field Program on the Use of Coupons to Monitor Cathodic Protection of an
Underground Pipeline, NACE CORROSION/1997 – Conference Paper no. 564.
15. G. Nekoksa: Criteria for Design of Cathodic
Protection Probes with Coupons, CORROSION/1998 - Conference Paper no. 677.
16. NACE Recommended Practice RP-01042004: The Use of Coupons for Cathodic Protection Monitoring Applications.
17. NACE Standard SP 0169-07: Control of
External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems.
18. A.J. Freedman, E.S. Troscinski i A. Dravniers: Corrosion, 14, 175t (1958).
19. D. Roller i W.R. Scott: Corrosion Technology, 8, (No. 3), 71 (1961).
20. B. Danilov: Anti-Corrosion, 1, 5 (1975).
21. D.R. Bergstrom: Materials Performance, 20,
(No. 9) 17 (1981).
22. M. McKenzie i P.R. Vassie: Br. Corros. J., 20
(No. 3), 117 (1985).
23. NORSOK Standard M-CR-505: Corrosion
monitoring Design, 1994.
24. NACE Technical Committee TG-321: Report
on Soil Corrosion Probes, Houston 2006.
25. S. Włodarczyk i M. Berka: Ochrona przed
Korozja, 17, 7 (1974).
26. S. Włodarczyk: Ochrona przed Korozją, 17,
365 (1974).
27. J. Jankowski i J. Szukalski: Zastosowanie
korozymetrii rezystancyjnej do pomiarów
skuteczności ochrony katodowej konstrukcji
podziemnych. IV Krajowa Konferencja „Pomiary korozyjne w ochronie elektrochemicznej”, PKEOpK SEP, Jurata, 1996.
28. J.H. Fitzgerald, P.R. Nichols i R. Niebling:
Measuring the Effectiveness of Cathodic
Protection on the Exterior Bottoms of New
Aboveground Asphalt Storage Tanks Using
Corrosion Monitoring Probes, NACE CORROSION/99, Paper no. 519.
29. J. Jankowski, W. Sokólski: Ochrona przed
Korozją, 46, 218 (2003).
30. N.A. Khan: Materials Performance, 43, (6)
20, (2004).
31. R.A. Welsh i J. Benefield: Materials Performance, 45, (3) 38, (2006).
32. N.A. Khan: Materials Performance, 46, (4),
26, (2007).
33. J. Jankowski i W. Sokólski: Korozymetria
rezystancyjna jako dogodny sposób oceny
skuteczności ochrony katodowej. X Krajowa
Konferencja „Pomiary korozyjne w ochronie
elektrochemicznej”, PKEOpK SEP, Jurata,
2008.
34. W. Sokólski, K. Jankowski: Ochrona przed
Korozją, 52, (4-5) 128, (2009).
35. ST-IGG-0602:2008 Ochrona przed korozją
zewnętrzną stalowych gazociągów lądowych
Ochrona katodowa. Projektowanie, budowa i
użytkowanie.
Kontakt z autorem:
e-mail: [email protected]
Ochrona przed Korozją, vol. 54, nr 7