Protezione catodica ICCP per navi

Le navi affrontano costantemente le difficili sfide dell'ambiente marino altamente corrosivo. Nel sistema tecnologico di protezione dalla corrosione delle navi, la protezione catodica è uno dei metodi più fondamentali ed efficaci. Si suddivide principalmente in due categorie: anodi sacrificali e protezione catodica a corrente impressa (ICCP). Gli anodi sacrificali forniscono protezione dissolvendo un metallo con carica negativa maggiore (come leghe di zinco o alluminio). Sebbene gli anodi sacrificali siano economici e facili da installare, presentano svantaggi come la limitata corrente di uscita, la breve durata (2-3 anni) e la necessità di sostituzione periodica, rendendoli inadatti alle esigenze di protezione a lungo termine delle navi di grandi dimensioni (oltre 50,000 tonnellate).

I sistemi di protezione catodica a corrente impressa regolano attivamente la corrente di protezione tramite un alimentatore esterno in corrente continua. Offrono vantaggi quali elevata potenza di uscita, ampio intervallo di protezione, lunga durata (15-20 anni) e adattabilità dinamica ai cambiamenti dell'ambiente marino, rendendoli la soluzione di protezione più diffusa per le moderne navi di grandi dimensioni e di fascia alta.

Note:

1. I parametri potenziali si basano sull'elettrodo di riferimento Ag/AgCl.
2. Il confronto dei costi viene calcolato in base all'investimento iniziale per la stessa area di protezione (100 m²).
3. L'adattabilità ambientale deve essere regolata in base ai parametri effettivi (temperatura, salinità, velocità del flusso) dell'area operativa del recipiente. Si consiglia di utilizzare questa funzione con la funzione di regolazione adattiva di un potenziostato.

I requisiti fondamentali per gli anodi ausiliari nei sistemi ICCP marini sono: elevata conduttività, bassa sovratensione di polarizzazione, resistenza alla corrosione dell'acqua di mare, elevata resistenza meccanica e lunga durata, oltre alla capacità di resistere a condizioni operative difficili come l'impatto del flusso d'acqua e le vibrazioni durante la navigazione. Attualmente, i principali anodi ausiliari ICCP marini si suddividono principalmente nelle seguenti tre categorie:

(I) Anodi in titanio placcati in platino (anodi Pt/Ti)

Gli anodi placcati in platino a base di titanio sono il tipo di anodo di fascia alta più ampiamente utilizzato nei sistemi ICCP marini. Sono costituiti da un substrato di titanio puro (che fornisce supporto meccanico) e da uno strato di platino elettrodeposto sulla superficie (strato conduttivo catalitico). Il loro principale vantaggio risiede nell'elevata stabilità elettrochimica e nelle basse caratteristiche di polarizzazione del platino: in ambienti marini, lo strato di platino non si dissolve né si corrode, fungendo solo da mezzo per il trasferimento di elettroni, con una sovratensione di polarizzazione ≤0.3 V (a una densità di corrente di 100 A/m²).

Lo spessore dello strato di platino degli anodi placcati in platino a base di titanio per applicazioni marine deve essere ≥5 μm, con un consumo estremamente basso (≤1 g/A・a) e una durata di vita prevista di 15-20 anni. Gli anodi placcati in platino a base di titanio per applicazioni marine possono essere lavorati in varie forme, come piastre, tubi e strisce, per adattarsi a diverse posizioni di installazione, come scafo, prua e poppa.

Questo tipo di anodo è adatto a grandi navi portacontainer, petroliere, metaniere e altre imbarcazioni con elevati requisiti di protezione e lunga durata, particolarmente indicato per scenari di protezione dello scafo su ampie superfici che richiedono una distribuzione uniforme della corrente. Tuttavia, a causa dell'elevato prezzo del platino, il costo di investimento iniziale per gli anodi placcati in platino a base di titanio è relativamente elevato.

(II) Anodi di titanio in ossido di metallo misto (anodi MMO)

Anodi di ossido metallico misto Utilizzano il titanio come substrato, rivestito con uno strato misto di ossidi metallici come rutenio, iridio e tantalio. Si tratta di un tipo di anodo ad alte prestazioni in rapido sviluppo negli ultimi anni, che coniuga elevata stabilità ed economicità. Il rivestimento di ossido presenta un'attività catalitica simile al platino, una bassa sovratensione di polarizzazione (0.2-0.4 V) e un'elevata resistenza alla corrosione da cloro: nell'elettrolisi dell'acqua di mare, la superficie dell'anodo subisce principalmente una reazione di evoluzione del cloro (2Cl⁻→Cl₂+2e⁻), evitando la corrosione del substrato.

Lo spessore del rivestimento degli anodi MMO è in genere di 20-50 μm. La speciale tecnologia di rivestimento garantisce un legame saldo con il substrato di titanio, garantendo elevata resistenza meccanica, resistenza all'usura e un tasso di consumo pari a solo 1/3-1/2 di quello degli anodi placcati in platino a base di titanio, con una durata di vita prevista di 12-18 anni. Rispetto agli anodi placcati in platino a base di titanio, gli anodi MMO riducono i costi di produzione del 30-50%, mantenendo prestazioni simili a densità di corrente medie (10-30 A/m²), il che li rende la tipologia di anodo preferita per imbarcazioni di piccole e medie dimensioni e operazioni offshore.

A seconda della formulazione del rivestimento, gli anodi MMO possono essere suddivisi in quelli ad alto contenuto di rutenio (adatti a scenari di elevata densità di corrente) e quelli ad alto contenuto di iridio (adatti a requisiti di lunga durata), adattandosi in modo flessibile alle esigenze di protezione di diverse imbarcazioni.

(III) Anodi di platino/niobio (anodi di Pt/Nb)

Gli anodi in platino/niobio utilizzano il niobio come substrato con uno strato di platino elettrodeposto sulla superficie e sono un tipo di anodo speciale progettato per condizioni operative estreme. Il niobio, come substrato, presenta una stabilità alle alte temperature e una resistenza alla corrosione superiori rispetto al titanio. Anche quando le navi entrano in zone marine ad alta temperatura o subiscono temperature elevate localizzate all'anodo, mantiene la stabilità strutturale e previene i guasti dovuti all'ossidazione del substrato.

Questo tipo di anodo presenta tipicamente uno spessore dello strato di platino ≥8 μm, una sovratensione di polarizzazione ≤0.25 V e un'elevata capacità di trasporto di corrente (sostiene densità di corrente fino a 50 A/m²). È adatto per grandi FPSO, navi di supporto per piattaforme offshore e altre imbarcazioni speciali che richiedono ormeggio a lungo termine e un'elevata protezione, ed è particolarmente adatto per l'uso in ambienti marini con ampie fluttuazioni di salinità e drastiche variazioni di temperatura. Tuttavia, a causa dell'elevata difficoltà di lavorazione e del costo dei substrati di niobio, il campo di applicazione degli anodi in platino/niobio è relativamente limitato, essendo utilizzato principalmente in componenti protettivi critici con requisiti di affidabilità estremamente elevati.

Applicazioni

L'applicazione degli anodi di protezione catodica a corrente impressa ICCP nelle navi copre l'intero ciclo di vita della nave: progettazione, costruzione, installazione e funzionamento.

Struttura del fondo della nave

Lo scafo è la più grande area di protezione subacquea di una nave. Gli anodi sono generalmente disposti simmetricamente lungo la direzione longitudinale dello scafo, con 2-4 anodi a forma di piastra ciascuno a prua e a poppa, e un anodo ogni 15-20 metri nella zona centrale della nave per garantire una copertura uniforme della corrente protettiva. Per le grandi petroliere e le navi portacontainer, è possibile utilizzare una combinazione di "anodo principale + anodo ausiliario". L'anodo principale fornisce la corrente protettiva complessiva. Gli anodi ausiliari forniscono una protezione avanzata per le aree ad alta corrosione come vicino alla linea di galleggiamento e a prua e a poppa.

Albero ed elica

Componenti come eliche e alberi di poppa sono per lo più realizzati in leghe di rame, che presentano una differenza di potenziale con l'acciaio dello scafo, rendendoli soggetti a corrosione galvanica. Piccoli anodi tubolari (come gli anodi placcati in platino a base di titanio) sono installati vicino al mozzo dell'elica. Questi anodi sono poi isolati dallo scafo tramite flange isolanti (resistenza di isolamento ≥1 MΩ) per impedire l'interferenza della corrente ICCP con il sistema di messa a terra dell'albero e garantire che il potenziale dell'albero sia controllato tra -0.85 V e -1.0 V.

Serbatoi di zavorra e scatole valvole sottomarine

Le casse di zavorra sono soggette a corrosione microbica a causa dell'alternanza di condizioni umide e secche e di ambienti carenti di ossigeno. All'interno delle casse è possibile installare anodi MMO a forma di striscia, abbinati a un rivestimento epossidico per formare una protezione composita. Le scatole valvole sottomarine, a causa dell'elevato rischio di corrosione turbolenta, richiedono una fitta disposizione di anodi ad alta purezza (come anodi placcati in platino a base di titanio), con una densità di corrente progettata di 150-200 A/m², per migliorare la protezione localizzata.

Specifiche di installazione

Gli anodi devono essere installati sulla superficie metallica sabbiata dello scafo, garantendo una resistenza di contatto elettrica < 0.01Ω. Per il fissaggio si preferisce la saldatura (è necessario aggiungere guarnizioni conduttive per il fissaggio tramite bulloni). Gli anodi devono essere tenuti lontani da apparecchiature di precisione come sonar ed ecoscandagli per evitare interferenze elettromagnetiche. La spaziatura tra gli anodi deve essere determinata in base all'intervallo di copertura della corrente, in genere 15-20 m, assicurando l'assenza di punti ciechi. La distanza dall'elettrodo di riferimento deve essere ≥2 m per evitare interferenze con la misurazione del potenziale causata dal campo elettrico dell'anodo. La distanza dall'anodo MGPS deve essere ≥10 m per prevenire la corrosione galvanica. I cavi degli anodi devono essere cavi isolati resistenti all'acqua di mare (come cavi rivestiti in gomma neoprene) e i giunti dei cavi devono essere impermeabili e sigillati, con una resistenza di isolamento ≥10 MΩ. Il percorso dei cavi deve evitare parti taglienti dello scafo per prevenirne l'usura durante la navigazione.