Artykuły techniczne

Celem ochrony katodowej jest zlikwidowanie obszarów anodowych na chronionej konstrukcji i jest ona w związku z tym nazywana czynną ochroną przeciwkorozyjną. Jest to elektrochemiczna metoda zabezpieczenia antykorozyjnego, w której wykorzystuje się stały prąd elektryczny. Prąd, przepływając przez granicę faz metal/środowisko elektrolityczne, powoduje polaryzację metalu i znaczne spowolnienie lub nawet zahamowanie procesu korozji (utleniania). Prąd polaryzujący może pochodzić ze sztucznie utworzonego ogniwa galwanicznego, bądź z zewnętrznego źródła prądu. W obu przypadkach reakcja anodowa zostaje przeniesiona z konstrukcji, która podlega ochronie, na powierzchnię anody. Skuteczność ochrony katodowej uzależniona jest od ciągłości galwanicznej konstrukcji, obecności środowiska przewodzącego prąd oraz prawidłowego rozkładu prądu polaryzującego i potencjału na całej powierzchni konstrukcji.

Rozważania dotyczące zasady działania ochrony katodowej przeprowadzić można z wykorzystaniem diagramu równowagi termodynamicznej potencjał – pH tzw. Pourbaix, dzięki któremu można skutecznie planować ochronę katodową, poprzez analizę zmian wartości polaryzacji metalu. Zasadę ochrony katodowej można także wyjaśnić na uproszczonym wykresie korozyjnym Evansa. W wyniku pracy ogniwa korozyjnego ustala się potencjał korozyjny i odpowiadająca mu gęstość prądu korozyjnego równoważna szybkości procesu korozyjnego. Gdy do powierzchni metalu zostanie dostarczony prąd o danej gęstości, to potencjał metalu ulegnie obniżeniu, będąc pod częściową lub pełną ochroną. Wartość potencjału dla pełnej ochrony nazywa się potencjałem ochronnym, natomiast gęstość prądu potrzebna do jego uzyskania, ochronną gęstością prądu.

Ochrona katodowa jest jedną z metod ochrony metali przed korozją. Mogłoby się wydawać, że początki zastosowania ochrony katodowej miały miejsce w ostatnich wiekach, jednak jej historia jest znacznie dłuższa.

POCZĄTKI OCHRONY KATODOWEJ

Pierwsze wzmianki o ochronie katodowej można spotkać już w zapiskach z czasów starożytnych. Świadomość i wiedza ówczesnych ludzi nie były na tyle duże, aby zdawali oni sobie sprawę z tego, jaki proces wykorzystują. Dokładniej mówiąc, wiedzieli, że dana metoda działa, ale nie do końca zdawali sobie sprawę dlaczego. Historia ochrony katodowej rozpoczęła się m.in. od tworzenia biżuterii. Mianowicie ludzie tworzyli wówczas baterie pozłacające elementy metalowe. Składały się one z dzbana, żelaznego, przerdzewiałego rdzenia i miedzianego cylindra. Z kolei w imperium Rzymskim, drewniane burty statków były zabezpieczane za pomocą poszycia ołowianego przymocowanego miedzianymi gwoździami. Archeolodzy zauważyli, że łebki gwoździ były pokrywane ołowiem, aby ograniczyć powstawanie silnego ogniwa korozyjnego w środowisku słonej wody i wypadanie gwoździ z poszycia. Nie ma zatem wątpliwości co do tego, że zdawano sobie wówczas sprawę z istnienia zjawiska korozji oraz możliwości ochrony przed nią.

DOKUMENTACJA OCHRONY KATODOWEJ

Szacuje się, że pierwsze wzmianki o celowym wykorzystaniu metody ochrony katodowej pojawiły się na początku drugiej połowy XVIII wieku. Wówczas zaczęto stosować w miedzianych poszyciach statków elementy żelazne, które działały jak protektory. W XIX i XX w. naukowcy, głównie M. Faraday, T. Edison i  K. Cohen, intensywnie badali to zjawisko, aby mogło być skutecznie wykorzystywane w walce z korozją. Na początku XX wieku ochrona katodowa zaczęła być intensywnie wykorzystywana do ochrony kotłów parowych, rurociągów gazowych i wodnych oraz innych elementów infrastruktury, które były narażone na korozję. Ochrona katodowa spowodowała, że elementy maszyn i konstrukcji mogły być eksploatowane znacznie dłużej.

OCHRONA KATODOWA W POLSCE

W Polsce ochrona katodowa zaczęła być stosowana na szeroką skalę na początku XX wieku, kiedy to prof. Roman Podoski poruszył temat uszkodzeń sieci elektrycznej i rurociągów znajdujących się pod ziemią. Następnie problem znów został zauważony w latach 50-tych, kiedy to konstrukcje budynków oraz gazociągi zaczęły ulegać korozji na skutek prądów błądzących. To właśnie wtedy zaczęto zabezpieczać gazociągi oraz kable na szeroką skalę i wtedy pojawiły się też pierwsze polskie normy dotyczące ochrony katodowej.

POWŁOKA IZOLACYJNA

Jakość powłoki izolacyjnej ma kluczowe znaczenie dla skuteczności działania systemu ochrony katodowej. W celu potwierdzenia szczelności fabrycznej powłoki izolacyjnej oraz izolacji nakładanej na placu budowy, cała konstrukcja, która ma być chroniona, powinna zostać przebadana przed zasypaniem przy pomocy defektoskopu iskrowego o odpowiednio dobranym napięciu. Wykryte defekty w izolacji powinny zostać naprawione.

POŁĄCZENIA Z OBCYMI KONSTRUKCJAMI

Konstrukcja chroniona powinna być odseparowana galwanicznie od wszelkich konstrukcji obcych oraz uziemionych instalacji. Połączenie galwaniczne z obcymi konstrukcjami o niskiej rezystancji uziemienia lub uziemionymi w sposób bezpośredni uniemożliwia skuteczne działanie systemu ochrony katodowej.

OCHRONA ODGROMOWA

Bezpośrednie połączenie uziomów odgromowych z konstrukcją chronioną uniemożliwia skuteczne działanie systemu ochrony katodowej. W związku z tym wszelkie ewentualne uziemienia powinny być łączone za pośrednictwem iskierników separacyjnych.

KRYTERIUM POTENCJAŁOWE

Zgodnie z normą PN-EN 12954 potencjał metalu, przy którym postęp korozji wynosi <0,01 mm na rok, jest potencjałem ochrony E_p. Taki postęp korozji jest na tyle mały, że nie dochodzi do uszkodzeń korozyjnych. Kryterium skutecznej ochrony katodowej jest więc E ≤ E_p.

Potencjał ochrony metalu może w pewnym stopniu zależeć od środowiska korozyjnego (elektrolitu), ale przede wszystkim zależy od rodzaju metalu. Podane w poniższej tabeli kryteria potencjałowe ochrony dotyczą granicy faz metal-elektrolit, tzn. nie zawierają składowej IR w środowisku korozyjnym.

Potencjałowe kryteria ochrony katodowej
(wyciąg z PN-EN 12954).

Metal lub stop	Środowisko		Potencjał ochrony wzg. CSE [V]
Stale niestopowe i niskostopowe o wytrzymałości ≤ 800 N∙mm-2	Woda i grunt, warunki tlenowe	Warunki normalne, T < 40°C	-0,85
		T > 40°C	-0,95
		Napowietrzone grunty piaszczyste, 100 < ρ < 1000 Ωm	-0,75
		Napowietrzone grunty piaszczyste, ρ > 1000 Ωm	-0,65
	Woda i grunt, warunki beztlenowe		-0,95

ODDZIAŁYWANIE NA SĄSIEDNIE KONSTRUKCJE

Dopuszczalny poziom oddziaływań na sąsiednie konstrukcje określony jest w normie PN-EN 50162. W przypadku oddziaływania anodowego na konstrukcje bez ochrony katodowej, jest ono dopuszczalne jeżeli dodatnie przesunięcie potencjału ∆U jest mniejsze niż kryterium podane w poniższej tabeli.

Dopuszczalne dodatnie przesunięcia potencjału ∆U podziemnych
lub podwodnych konstrukcji metalowych, które nie są chronione katodowo
(wyciąg z PN-EN 50162).

Metal konstrukcji	Rezystywność elektrolitu ρ [Ωm]	Największe dodatnie przesunięcie potencjału (ze spadkiem IR) ∆U [mV]	Największe dodatnie przesunięcie potencjału (bez spadku IR) ∆U [mV]
Stal, żeliwo	≥ 200	300	20
	15 do 200	1,5 × ρ*	20
	< 15	20	20

* ρ w Ωm

Konstrukcje zabezpieczone przed korozją za pomocą ochrony katodowej należy uznać za narażone na niedopuszczalne oddziaływanie prądów błądzących, jeżeli potencjał konstrukcji bez składowej IR jest poza zakresem potencjałów ochrony. Oddziaływanie katodowe prądów błądzących powinno być uznane za niedopuszczalnie duże, jeżeli powoduje, że potencjał bez składowej IR jest bardziej ujemny niż graniczny potencjał E_IRfree wg normy PN-EN 12954.

Ochrona katodowa zbiorników podziemnych przyczynia się do bezpiecznej eksploatacji, ochrony środowiska i wydłużenia czasu eksploatacji tych obiektów. Oprócz nowoczesnych zabezpieczeń biernych, jak stosowanie specjalistycznych powłok, laminatów czy stosowanie systemów podwójnego dna, wciąż nie rezygnuje się z czynnej ochrony przeciwkorozyjnej. Instalacje ochrony katodowej projektuje się pod kątem dostarczenia odpowiedniego prądu polaryzującego do chronionej konstrukcji, a także optymalnego rozmieszczenia poszczególnych elementów systemu w celu uzyskania najkorzystniejszego rozkładu potencjału chronionej powierzchni. Rozkład prądu na powierzchni zależy od wielu czynników:

• wymiarów i kształtu zbiornika;
• rezystywności środowiska elektrolitycznego;
• rodzaju i stanu powłoki izolacyjnej ;
• metalicznych połączeń z innymi konstrukcjami;
• ilości i rozmieszczenia anod.

W ochronie katodowej zbiorników wykorzystuje się anody z metalu o bardziej elektroujemnym potencjalne niż konstrukcja chroniona. Najczęściej jest to stop magnezu, cynku lub aluminium. Rozwiązania techniczne układów anodowych przy ochronie zbiorników mogą być zróżnicowane. W każdym przypadku dąży się do uzyskania najlepszego rozkładu prądu i potencjału na chronionej konstrukcji. Dla istniejących podziemnych zbiorników nie ma innej skutecznej metody ochrony, która mogłaby być zaaplikowana bez ich odkopywania. Istnieje szereg rozwiązań montażu anod, zapewniających optymalną polaryzację:

• umieszczenie anod poziomych pod dnem zbiornika;
• umieszczenie anod pionowych na obrzeżach zbiornika w odległości kilku metrów;
• umieszczenie anod pod kątem 45 stopni pod dnem zbiornika;
• umieszczenie anod w głębokim uziomie sięgającym kilkudziesięciu (a nawet więcej) metrów;
• umieszczenie kablowych lub taśmowych anod otaczających pierścieniowo zbiornik.

Do ochrony rurociągów przed korozją stosuje się ochronę za pomocą anod galwanicznych lub ochronę z zewnętrznym źródłem prądu. Ochrona za pomocą anod galwanicznych jest najprostszą metodą ochrony elektrochemicznej, natomiast w ochronie z zewnętrznym źródłem prądu stosuje się zasilacze prądu stałego, które wymagają podłączenia do sieci elektroenergetycznej. W obu przypadkach prąd płynie przez środowisko elektrolityczne z anody do konstrukcji powodując katodową polaryzację powierzchni i w konsekwencji chroniąc ją przed korozją. Podziemny rurociąg jest typową konstrukcją o nierównomiernym rozkładzie potencjału i prądu na powierzchni. Rozkład potencjału ulega deformacji wskutek odgałęzień, metalicznych połączeń z innymi konstrukcjami, występowania rur osłonowych, obecności prądów błądzących, nieciągłości galwanicznych czy sąsiedztwa innych konstrukcji metalowych. Bardzo istotny wpływ na zasięg działania ochrony katodowej na rurociągu ma jakość jego powłoki izolacyjnej. Ogólnie rzecz biorąc, im lepszy stan izolacji tym większy zasięg ochrony. W trakcie projektowania ochrony katodowej na istniejącym rurociągu wykonuje się próbną polaryzację za pomocą przenośnej stacji ochrony katodowej i pomocniczych anod polaryzujących. Pomiary te pozwalają obliczyć zapotrzebowanie prądowe rurociągu, zasięg działania i parametry pracy SOK oraz ilość anod potrzebnych do skutecznej ochrony konstrukcji.

Największym wyzwaniem na obiektach złożonych jest koordynacja ochrony katodowej z instalacjami obcymi jak ochrona odgromowa czy przeciwporażeniowa. Rozwiązania sprawdzające się na obiektach dużych, typu tłocznia gazu, najczęściej nie mają zastosowania na małych obiektach jak stacja gazowa. Dlatego też każdą instalację ochrony przed korozją na obiektach złożonych powinno się projektować i wykonywać indywidualnie, ponieważ zależy ona od rozmiaru konstrukcji, zastosowanych rozwiązań ochrony biernej, agresywności i rezystywności gruntu, interferencji prądu stałego i przemiennego oraz obowiązujących przepisów.

Dla prawidłowo działającej ochrony katodowej konstrukcji złożonej powinny być spełnione następujące warunki:

• każdy element metalowy konstrukcji powinien wykazywać ciągłość elektryczną;
• podziemne elementy powinny być pokryte powłoką izolującą;
• całkowite odizolowanie podziemnej konstrukcji od naziemnych części technologicznych np. zastosowanie izolujących złączek oraz przekładek.

Kolejnymi czynnikami, na które należy zwrócić uwagę przy projektowaniu są:

• ekranowanie – np. występowanie zbrojonego betonu, geomembran itp.;
• izolacja elektryczna;
• obce elektrody – występowanie anod lub katod zwiększa zapotrzebowanie na prąd ochrony (np. można używać cynkowych uziemień, ponieważ konsumują mniej prądu niż uziemienia miedziane czy wykonane ze stali nierdzewnej);
• interferencje – mogą zaistnieć pomiędzy różnymi instalacjami ochrony katodowej.

W zależności od wielkości obiektów oraz warunków, stosuje się następujące rozwiązania uziomów anodowych:

• płytki, centralnie umieszczony uziom – instalację stanowi ochrona prądem z zewnętrznego źródła z jednym centralnym lub kilkoma płytkimi uziomami anodowymi. Prąd ochrony katodowej dociera przez płytko umieszczony uziom do wszystkich miejsc nieszczelności izolacji chronionej konstrukcji i zapewnia odpowiedni potencjał spełniający kryterium ochrony. Ten wariant stosuje się najczęściej dla obiektów o niedużej powierzchni;
• uziom anodowy centralny (głęboki) wraz z pojedynczymi uziomami płytkimi – najczęściej dla obiektów eksploatowanych od jakiegoś czasu z niewiadomą ilością defektów izolacji. Obiekty te zwyczajowo nie posiadają odizolowanych uziemień. Wadą tego rozwiązania jest brak możliwości nastawienia prądu ochrony katodowej, aby uzyskać równomierną polaryzację chronionej konstrukcji na całym chronionym obiekcie;
• płytkie uziomy umieszczone blisko chronionej konstrukcji – korzystne rozwiązanie w przypadku obiektów, w których konstrukcją chronioną są przede wszystkim podziemne rurociągi i zbiorniki. Rurociągi i zbiorniki są wtedy usytuowane blisko stożków napięciowych anod. Gdy chroniony obiekt jest rozległy, można je połączyć w kilka obwodów zasilanych za pomocą osobnych stacji ochrony katodowej;
• uziom wykonany z anody kablowej – anodę kablową układa się blisko i na całej długości chronionej konstrukcji. Dzięki niewielkiej odległości od anody chroniona konstrukcja znajduje się w obszarze stożka napięciowego, na skutek czego potencjał w ziemi w pobliżu konstrukcji podwyższa się, co ułatwia dopływ prądu ochrony katodowej do pozbawionych izolacji powierzchni konstrukcji. Szczególne zastosowanie anoda kablowa ma do ochrony przed korozją rurociągów na złożonych obiektach technologicznych typu tłocznie i magazyny gazu, gdzie głównymi instalacjami są rurociągi.

Prądami błądzącymi nazywamy prądy upływające do środowiska (najczęściej ziemi) z nieodizolowanych obwodów elektrycznych, płynące innymi drogami niż dla nich przewidziane. Dzielimy je na statyczne oraz dynamiczne. Statyczne prądy błądzące zachowują stałe natężenie i stałe drogi przepływu w elektrolicie, natomiast dynamiczne prądy błądzące zmieniają natężenie, kierunek i drogę przepływu w sposób losowy. Głównymi źródłami prądów błądzących są:

• trakcje tramwajowe;
• trakcje kolejowe;
• linie przesyłowe HVDC;
• urządzenia przemysłowe prądu stałego;
• obce instalacje ochrony katodowej.

Konstrukcje szczególnie narażone na działanie prądów błądzących to konstrukcje długie, jak:

• rurociągi;
• kable w osłonach metalowych;
• konstrukcje hydrotechniczne;
• stal zbrojeniowa w konstrukcjach.

Najczęstszym źródłem prądów błądzących jest sieć trakcyjna, gdzie część  prądów powrotnych upływa do ziemi i wpływa do defektów izolacji metalowych rurociągów i innych elementów konstrukcyjnych, po czym wypływa z nich w innym miejscu i wraca do źródła. Efektem takiego przepływu prądu jest powstawanie na podziemnych konstrukcjach metalowych obszarów anodowych i katodowych. Prąd który wypływa z metalu do elektrolitu powoduje jego roztwarzanie. Gdy defekt izolacji jest mały, to gęstość prądu przepływającego przez granicę faz jest na tyle duża, że może spowodować perforację ścianki w stosunkowo krótkim czasie. Uszkodzenia spowodowane prądami błądzącymi pojawiają się na powierzchni konstrukcji nierównomiernie w postaci wżerów o różnej wielkości. 

W przypadku konstrukcji chronionych katodowo może dojść do przypadku, że na sąsiednich obcych konstrukcjach podziemnych przecinających się z konstrukcjami chronionymi zaobserwujemy wzrost zagrożenia korozyjnego. Jest to spowodowane wypływem prądu z anod i wpływaniem do właśnie tych obcych konstrukcji. Prąd przepływając przez obcą konstrukcję wypływa z niej do konstrukcji chronionej w miejscach przecięć lub zbliżeń. Miejsca wypływu prądu są miejscami szczególnie zagrożonymi występowaniem korozji. Oddziaływanie instalacji ochrony katodowej na konstrukcje obce zależy od parametrów pracy instalacji, odległości uziomu anodowego od obu konstrukcji, przewodności konstrukcji i rezystywności gruntu. Aby osiągnąć zmniejszenie lub zlikwidowanie oddziaływania stacji ochrony katodowej na obce konstrukcje można:

• włączyć konstrukcję obcą do oddziałującego systemu ochrony;
• zastosować indywidualną ochronę katodową na konstrukcji obcej;
• zwiększyć odległość pomiędzy konstrukcjami;
• stosować ekrany elektryczne obok obcej konstrukcji;
• poprawić jakość powłoki izolacyjnej konstrukcji.

Źródłem interferencji prądu przemiennego na konstrukcjach metalowych są napowietrzne linie wysokiego napięcia oraz trakcje kolejowe zasilane prądem przemiennym. Największe oddziaływania występują przy równoległych przebiegach i mogą mieć charakter pojemnościowy, indukcyjny lub omowy (rezystancyjny). Z oddziaływaniem pojemnościowym mamy do czynienia, gdy w polu elektrycznym wytworzonym pomiędzy przewodami elektrycznymi a ziemią, znajdzie się nieuziemiona część stalowej konstrukcji. Zgromadzony na konstrukcji ładunek zależy głównie od długości odcinka, odległości od linii elektroenergetycznej i jej napięcia. Oddziaływanie indukcyjne zachodzi wskutek zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Prąd przemienny z linii energetycznej wywołuje powstawanie pola magnetycznego, które indukuje siłę elektromotoryczną w rurociągu podziemnym przebiegającym w pobliżu linii. Wyindukowane napięcie przemienne zależy m.in. od długości rurociągu, jego średnicy, izolacji zewnętrznej, odległości od linii energetycznej i częstotliwości sieci. Natomiast oddziaływania omowe mają miejsce w przypadku przepływu prądu przemiennego poprzez grunt. Przepływ może być chwilowy, w wyniku awarii linii elektroenergetycznej, bądź ciągły w przypadku linii kolejowych zasilanych prądem przemiennym.

Jest to jedno z największych zagrożeń korozyjnych dla podziemnych konstrukcji stalowych, występujące we współczesnym świecie. Ochrona katodowa nie przeciwdziała korozji przemiennoprądowej, a wręcz w pewnych przypadkach, w wyniku działania ochrony katodowej może dojść do intensyfikacji oddziaływania prądu przemiennego i wzrostu pH środowiska elektrolitycznego w pobliżu polaryzowanej powierzchni konstrukcji. W takim środowisku korozja przemiennoprądowa przebiega bardzo intensywnie. Mniejsze defekty izolacji determinują powstanie stref o dużej gęstości prądu przemiennego i wysokim pH. Spowolnienie korozji przemiennoprądowej może być osiągnięte poprzez umiejętne zastosowanie uziemień rurociągu, podział odcinka za pomocą złączy izolujących na elektrycznie odrębne sekcje lub poprzez zwiększenie rezystywności środowiska glebowego otaczającego konstrukcję.

Przy projektowaniu rurociągu, który może być potencjalnie narażony na oddziaływanie prądu przemiennego, należy oszacować napięcia przemienne, jakie będą mogły występować pomiędzy rurociągiem a ziemią, oraz wykonać zagęszczone pomiary rezystywności gruntu na jego trasie. Powinno się unikać, na ile to możliwe, prowadzenia tras stalowych rurociągów wzdłuż linii wysokiego napięcia.