Anodo sacrificale di zinco La tecnologia ha subito quasi 200 anni di sviluppo, dando vita a un sistema completo di materiali, standard di progettazione, specifiche di costruzione e sistemi di gestione e manutenzione. Nell'ambiente estremamente complesso dell'industria chimica, vari dispositivi, condotte, serbatoi di stoccaggio e strutture in acciaio sono soggetti a corrosione estrema a lungo termine da parte di acidi forti, alcali forti, elevata concentrazione di sale, alte temperature, alte pressioni e mezzi organici complessi. La corrosione non solo causa perdite economiche dirette come guasti alle apparecchiature, perdite di materiale e arresti non pianificati, ma può anche innescare gravi incidenti di sicurezza come incendi, esplosioni e diffusione di sostanze tossiche, ponendo al contempo gravi rischi di inquinamento ambientale.
Anodo sacrificale di zinco Protezione catodica La tecnologia si basa sul principio delle celle galvaniche elettrochimiche. Lo zinco e le leghe di zinco hanno un potenziale di elettrodo più negativo rispetto a metalli come l'acciaio. Attraverso la sua ossidazione e dissoluzione preferenziale, fornisce una corrente protettiva continua alla struttura protetta. La struttura metallica protetta è polarizzata a un intervallo di potenziale resistente alla corrosione, inibendo così radicalmente il verificarsi di reazioni corrosive. Questa guida esamina sistematicamente le tipologie di materiali, i principi di funzionamento elettrochimici, le applicazioni e la progettazione degli anodi sacrificali di zinco nel campo chimico, con l'obiettivo di fornire una guida tecnica completa, autorevole e pratica sulle applicazioni degli anodi sacrificali di zinco per ingegneri, progettisti e personale operativo e di manutenzione nell'industria chimica.
Tipi di anodi sacrificali di zinco
Le prestazioni e l'applicabilità dello zinco anodi sacrificali dipendono principalmente dalla loro composizione chimica, struttura metallografica e morfologia. Per soddisfare le diverse esigenze dei diversi ambienti, condizioni operative e oggetti protetti nell'industria chimica, è stato istituito un sistema di prodotti multidimensionale e standardizzato. Tutti i prodotti commerciali devono soddisfare i requisiti tecnici di standard autorevoli come ASTM B418, ISO 9351 e GB/T 4950-2021.
Anodi di zinco puro
Gli anodi di zinco puro utilizzano zinco ad alta purezza (≥99.995%) come materiale di base. Il contenuto di impurità nocive come ferro, rame e piombo è rigorosamente controllato. Ciò corrisponde agli anodi di Tipo II secondo la norma ASTM B418 e anche agli anodi di zinco ad alta purezza di Tipo II secondo la norma GB/T 4950-2021.
Composizione chimica del nucleo (ASTM B418-16a): Alluminio ≤0.005%, Cadmio ≤0.003%, Ferro ≤0.0014%, Rame ≤0.002%, Piombo ≤0.003%, Zinco restante.
Prestazioni principali: potenziale a circuito aperto stabile (-1.05 V~-1.10 V rispetto a CSE), bassa polarizzazione, non facilmente passivabile in terreni a bassa resistività, acqua dolce, acqua dolce ad alta temperatura e mezzi contenenti cloro, e si dissolve uniformemente. L'efficienza di corrente può superare il 90%. I prodotti anticorrosivi sono atossici e innocui, soddisfacendo gli standard di sicurezza per l'acqua potabile.
Scenari applicabili: utilizzato principalmente per condotte chimiche interrate, fondi di serbatoi, reti di approvvigionamento idrico e di drenaggio, sistemi di raffreddamento ad acqua dolce ad alta temperatura e impianti di stoccaggio di prodotti chimici ad alta purezza in ambienti con resistività ≤15Ω・m. Particolarmente adatto per applicazioni chimiche di grado alimentare e farmaceutico con rigorosi requisiti di precipitazione delle impurità.
Anodo Zn-Al-Cd
L'anodo Zn-Al-Cd è l'anodo sacrificale di zinco classico più utilizzato nell'industria chimica, corrispondente agli anodi di Tipo I secondo la norma ASTM B418. È anche il sistema di anodo di zinco più maturo a livello commerciale a livello globale, in quanto soddisfa i requisiti tecnici dello standard militare statunitense MIL-A-18001K.
Elementi principali (ASTM B418-16a): Alluminio 0.1%~0.5%, Cadmio 0.025%~0.07%, Ferro ≤0.005%, Rame ≤0.005%, Piombo ≤0.006%, Zinco restante.
Prestazioni principali: potenziale a circuito aperto stabile (-1.05 V~-1.10 V rispetto a CSE), bassa polarizzazione, non facilmente passivabile in terreni a bassa resistività, acqua dolce, acqua dolce ad alta temperatura e mezzi contenenti cloro, e si dissolve uniformemente. L'efficienza di corrente può superare il 90%. I prodotti anticorrosivi sono atossici e innocui, soddisfacendo gli standard di sicurezza per l'acqua potabile.
Alluminio (Al): affina i grani di lega, sopprime gli effetti negativi delle impurità nocive come il ferro e migliora l'attività dell'anodo in mezzi ad alto contenuto di ioni cloruro;
Cadmio (Cd): riduce il tasso di autocorrosione dell'anodo, favorisce l'allentamento e il distacco dei prodotti della corrosione e migliora la stabilità dell'anodo in ambienti a bassa temperatura.
Anodi di zinco senza cadmio
Questo tipo di anodo sostituisce il cadmio con elementi attivanti non tossici quali magnesio, stagno, manganese e indio, ottenendo prestazioni prive di cadmio e mantenendo le eccellenti prestazioni degli anodi tradizionali Zn-Al-Cd.
Elementi: serie Zn-Al-Mg, serie Zn-Al-Mn, serie Zn-Al-Sn-In. Il più utilizzato è l'anodo Zn-Al-Mg senza cadmio. Resto di zinco, alluminio 0.3%~0.6%, magnesio 0.05%~0.2%, con rigoroso controllo delle impurità nocive come ferro, rame e piombo, conforme ai requisiti per gli anodi ecologici di Tipo III previsti dalla norma GB/T 4950-2021.
Prestazioni: Efficienza di corrente ≥92%, paragonabile agli anodi tradizionali contenenti cadmio. Eccellente uniformità di dissoluzione, nessun rischio di inquinamento da metalli pesanti. Buona adattabilità a terreni, acqua dolce e acqua di mare. L'aggiunta di magnesio migliora la resistenza dell'anodo alla passivazione e l'adattabilità alle basse temperature.
Scenari applicabili: utilizzato principalmente nei settori farmaceutico e chimico, alimentare e chimico, nel trattamento dell'acqua potabile e nelle condotte delle acque reflue chimiche comunali con rigorosi requisiti di protezione ambientale.
Anodi speciali in lega di zinco funzionali
Sono stati sviluppati diversi anodi in lega di zinco con funzionalità speciali per affrontare condizioni estreme nell'industria chimica, come alte temperature, elevata resistività e forte corrosione. Tra questi, i più rappresentativi sono gli anodi in lega di zinco resistenti alle alte temperature e gli anodi in zinco specificamente progettati per ambienti ad alta resistività.
Gli anodi di zinco tradizionali presentano problemi quali sfasamento del potenziale positivo, corrosione intergranulare accelerata e persino inversione di potenziale (il potenziale dell'elettrodo di zinco è più positivo di quello dell'acciaio, con conseguente perdita della funzione protettiva) quando la temperatura del mezzo supera i 60 °C. Questo non soddisfa i requisiti di protezione dell'acqua di raffreddamento ad alta temperatura negli impianti chimici, nei mezzi geotermici e nelle condotte di materiali ad alta temperatura.
Anodi di zinco ad alta temperatura
Il contenuto di ferro è rigorosamente controllato e vengono aggiunte tracce di manganese, cromo e altri elementi di lega per ottimizzare la struttura metallografica. Mantengono prestazioni stabili in ambienti ad alta temperatura, compresi tra 50 e 100 °C. Questi anodi sono stati applicati con successo in condotte per l'acqua prodotta ad alta temperatura nei giacimenti petroliferi, sistemi di circolazione dell'acqua ad alta temperatura negli impianti chimici e impianti chimici geotermici.
Anodi di zinco ad alta resistività
Aggiungendo elementi attivanti come indio e bismuto e ottimizzando la composizione della lega, si riduce la velocità di polarizzazione dell'anodo, migliorandone la capacità di corrente in uscita in mezzi ad alta resistività. Possono operare stabilmente nel suolo e nell'acqua dolce con resistività di 15~30 Ω·m, ampliando il campo di applicazione degli anodi di zinco in impianti chimici interrati in terreni ad alta resistività e in sistemi di circolazione idrica di acqua dolce.
Anodi di zinco a blocchi/piastre
Caratteristiche principali: struttura semplice, bassi costi di produzione, installazione flessibile, corrente di uscita stabile e durata utile facile da progettare e controllare. Un'anima interna in acciaio viene utilizzata per la saldatura o l'imbullonatura.
Gli anodi di zinco a blocchi/piastre rappresentano la forma strutturale più elementare e ampiamente utilizzata nell'industria chimica. Sono tipicamente anodi fusi con sezione trapezoidale, rettangolare o quadrata.
Applicazioni: Utilizzati principalmente per la protezione dalla corrosione delle pareti interne ed esterne di grandi serbatoi di stoccaggio di petrolio greggio e di materie prime chimiche; protezione delle pareti interne di grandi reattori e involucri di scambiatori di calore; protezione dalla corrosione delle piastre di fondo delle strutture in acciaio nei bacini di trattamento delle acque reflue; e protezione dalla corrosione di piattaforme chimiche marine e strutture in acciaio per banchine. Ad esempio, il fondo di un serbatoio di stoccaggio da 100,000 metri cubi utilizza comunemente anodi di zinco a blocchi con una disposizione a maglia. Il numero di anodi installati in un singolo serbatoio può raggiungere centinaia, con una vita utile di progetto di oltre 20 anni.
Bracciale/Anodi di zinco anulari
Caratteristiche principali: installazione coassiale con la tubazione, distribuzione uniforme della corrente, assenza di punti ciechi e adattabilità alle curve della tubazione.
Gli anodi di zinco a bracciale sono strutture anulari specificamente progettate per la protezione dalla corrosione delle condotte. Sono costituiti da due blocchi semicircolari in lega di zinco che possono essere montati direttamente sulla parete esterna della condotta e fissati con bulloni o saldature. Un telaio interno in acciaio garantisce resistenza strutturale e conduttività.
Applicazioni nell'industria chimica: questo è il tipo di anodo protettivo principale per condotte chimiche in acciaio interrate, condotte sottomarine per il trasporto di materiali chimici, condotte idriche per la circolazione negli impianti e condotte per la raccolta e il trasporto di petrolio e gas. È particolarmente adatto per condotte che attraversano fiumi, autostrade e ferrovie, nonché per la protezione dalla corrosione delle condotte all'interno di rivestimenti.
Anodi di zinco a nastro
Gli anodi di zinco a nastro sono anodi flessibili a nastro prodotti tramite estrusione. La sezione trasversale è prevalentemente rettangolare o romboidale. Le specifiche comuni includono una larghezza compresa tra 15.88 mm e 31.75 mm e uno spessore compreso tra 4.76 mm e 8.73 mm, conformi agli standard ASTM B418 e SY/T 0019.
Caratteristiche: Ampia superficie specifica, elevata corrente di uscita per unità di peso, eccellente flessibilità, adattabilità all'installazione in spazi ristretti, su superfici irregolari e in strutture complesse. La distribuzione estremamente uniforme della corrente risolve efficacemente il problema della protezione localizzata nei punti di danneggiamento del rivestimento. Possono essere utilizzate anche come batterie di messa a terra per la protezione dal drenaggio delle correnti vaganti negli impianti chimici.
Applicazioni nell'industria chimica: utilizzato principalmente per la protezione dalla corrosione delle piastre di fondo e di bordo dei serbatoi di stoccaggio di sostanze chimiche, la protezione dalla corrosione di condotte interrate in terreni ad alta resistività, la protezione dalla corrosione di condotte PCCP (tubi cilindrici in calcestruzzo precompresso), la protezione locale di strutture complesse negli impianti chimici, la protezione dal drenaggio delle correnti vaganti per condotte chimiche attorno alle ferrovie elettrificate e la protezione dalla corrosione delle pareti interne di scambiatori di calore e piccoli contenitori in ambienti con spazi limitati.
Il materiale di riempimento specializzato è in genere una miscela di polvere di gesso, bentonite e solfato di sodio in un rapporto specifico. La sua funzione principale è ridurre la resistenza di contatto tra l'anodo e il terreno, favorire la dissoluzione uniforme dell'anodo e prevenirne la passivazione.
Gli anodi di zinco preconfezionati sono costituiti da blocchi di zinco preinstallati in sacchetti di cotone o fibra sintetica riempiti con uno speciale materiale di riempimento chimico. Sono tra i tipi di anodi più comuni utilizzati negli impianti chimici interrati.
Applicazioni nell'industria chimica: ampiamente utilizzato per la protezione catodica di condotte in acciaio interrate, serbatoi di stoccaggio sotterranei, pozzetti per valvole, fondamenta di strutture in acciaio, canaline portacavi e altre strutture interrate nelle aree degli impianti chimici.
Anodi di zinco personalizzati
Per soddisfare le esigenze di protezione dalla corrosione di apparecchiature specializzate e installazioni non standard nell'industria chimica, Wstitanium può personalizzare anodi di zinco di varie forme, come a disco, semicircolari, a U, a cuneo e con connessioni filettate. Questi anodi sono adatti per strutture complesse come piastre tubiere di scambiatori di calore, corpi pompa, valvole, agitatori e apparecchiature chimiche marine.
Parametri del catodo dell'anodo sacrificale di zinco
L'effetto protettivo e la durata di un anodo sacrificale in zinco sono determinati da diversi parametri elettrochimici chiave. Questi parametri costituiscono anche la base fondamentale per la selezione e i calcoli di progettazione dell'anodo nell'industria chimica. Tutti i parametri devono essere testati e verificati secondo i metodi di prova specificati nella norma NACE TM0190.
Potenziale di circuito aperto (OCP)
Il potenziale a circuito aperto si riferisce al potenziale elettrodico stabile dell'anodo di zinco in un ambiente elettrolitico specifico, quando il catodo non è collegato e non vi è alcuna corrente in uscita. Si basa solitamente su un elettrodo di riferimento (CSE) di solfato di rame saturo e l'unità di misura è V.
Un anodo sacrificale di zinco qualificato dovrebbe avere un potenziale a circuito aperto stabile tra -1.05 V e -1.10 V (rispetto al CSE) in acqua di mare a 25 °C e tra -1.00 V e -1.08 V (rispetto al CSE) in un ambiente terrestre. Il potenziale a circuito aperto è l'indicatore principale per valutare l'attività dell'anodo di zinco.
Potenziale operativo (CP)
Il potenziale operativo si riferisce al potenziale elettrodico stabile dell'anodo di zinco quando eroga una normale corrente protettiva, anch'esso basato sul CSE (Containment SE). Un anodo di zinco qualificato dovrebbe avere un potenziale operativo stabile in acqua di mare compreso tra -1.00 V e -1.05 V (rispetto al CSE), con fluttuazioni non superiori a ±50 mV. La stabilità del potenziale operativo determina direttamente l'affidabilità dell'effetto protettivo. Fluttuazioni di potenziale eccessive indicano una dissoluzione non uniforme dell'anodo, che può facilmente portare a corrosione localizzata o passivazione.
Tensione di guida
La tensione di pilotaggio è la differenza tra il potenziale operativo dell'anodo di zinco e il potenziale di protezione della struttura in acciaio protetta. Questa è la forza motrice principale che spinge la corrente di protezione dall'anodo al catodo.
Il potenziale protettivo minimo per le strutture in acciaio in ambienti terrestri e acquatici è in genere -0.85 V (rispetto al CSE). Pertanto, la tensione di pilotaggio effettiva dell'anodo di zinco è compresa tra circa 0.15 V e 0.25 V, significativamente inferiore ai circa 0.7 V di anodi di magnesio e anche inferiore a 0.25 V a 0.30 V di anodi in lega di alluminio.
La bassa tensione di pilotaggio è uno dei principali vantaggi degli anodi di zinco. Ciò impedisce correnti di protezione eccessivamente elevate, riducendo il rischio di sovraprotezione ed evitando problemi come l'infragilimento da idrogeno dell'acciaio e la scrostatura dei rivestimenti anticorrosivi causati da sovraprotezione. Sono particolarmente adatti per la protezione di apparecchiature in acciaio ad alta resistenza nell'industria chimica e di strutture con rivestimenti altamente resistenti alla corrosione. Allo stesso tempo, la bassa tensione di pilotaggio rende gli anodi di zinco più adatti ad ambienti con media a bassa resistività (resistività ≤ 30 Ω·m). In ambienti ad alta resistività, la tensione di pilotaggio è insufficiente per pilotare una corrente di protezione adeguata e l'effetto protettivo sarà significativamente ridotto.
Capacità teorica vs. capacità effettiva
La capacità si riferisce alla quantità di elettricità che un'unità di massa di anodo di zinco può rilasciare, misurata in A·h/kg. È un parametro fondamentale che determina la durata dell'anodo. La capacità teorica dello zinco è di 820 A·h/kg, che si riferisce alla quantità totale di elettricità che può essere teoricamente rilasciata quando 1 kg di zinco si dissolve completamente. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, a causa di fattori quali l'autocorrosione dell'anodo di zinco, reazioni collaterali di impurità e dissoluzione non uniforme, l'elettricità effettiva in uscita sarà inferiore al valore teorico; questo valore è chiamato capacità effettiva.
Secondo lo standard GB/T 4950-2021, la capacità effettiva di un anodo di zinco Zn-Al-Cd qualificato dovrebbe essere ≥780 A·h/kg in acqua di mare e ≥740 A·h/kg in ambienti terrestri. Una capacità effettiva più elevata indica un maggiore utilizzo dell'anodo e una minore massa anodica richiesta per la stessa durata di vita prevista.
Efficienza attuale
L'efficienza di corrente si riferisce al rapporto tra la capacità effettiva e quella teorica di un anodo di zinco, espresso in percentuale. È un indicatore fondamentale per la valutazione delle prestazioni elettrochimiche degli anodi di zinco. Un anodo di zinco qualificato dovrebbe avere un'efficienza di corrente ≥95% in acqua di mare e ≥90% nel terreno. Gli anodi di zinco ad alta purezza dovrebbero avere un'efficienza di corrente ≥85% in acqua dolce. Una maggiore efficienza di corrente indica una minore autocorrosione dell'anodo e una maggiore percentuale di carica effettiva utilizzata per proteggere la struttura protetta.
Tasso di utilizzo dell'anodo
Il tasso di utilizzo dell'anodo si riferisce alla percentuale della massa totale di un anodo di zinco che viene effettivamente dissolta e consumata durante la sua vita utile. Man mano che l'anodo si dissolve ulteriormente, si verificano problemi come l'esposizione del nucleo di ferro, lo spostamento positivo del potenziale e la riduzione della corrente in uscita, impedendogli di continuare a funzionare efficacemente. Pertanto, il tasso di utilizzo dell'anodo non può raggiungere il 100%.
Nella progettazione, il tasso di utilizzo degli anodi di zinco a blocchi è generalmente considerato pari a 0.8~0.85, mentre quello degli anodi di zinco a strisce è generalmente considerato pari a 0.9~0.95. Il tasso di utilizzo dell'anodo è un parametro chiave nella progettazione della massa totale dell'anodo, in quanto influisce direttamente sulla durata di vita e sull'economia del sistema di protezione.
Fattori che influenzano le prestazioni dell'anodo di zinco
Le prestazioni elettrochimiche, l'effetto protettivo e la durata degli anodi di zinco dipendono non solo dai loro elementi chimici e dalla morfologia strutturale, ma anche da vari fattori come le condizioni ambientali chimiche, l'installazione e la gestione operativa. Una conoscenza approfondita di questi fattori è un prerequisito fondamentale per la corretta selezione e la progettazione razionale degli anodi di zinco nell'industria chimica.
Elementi leganti
Il rapporto tra gli elementi di lega e il contenuto di impurità sono fattori fondamentali che determinano le prestazioni degli anodi di zinco. Quantità appropriate di elementi di lega come alluminio, cadmio, magnesio e manganese possono affinare la granulometria, migliorare l'attività dell'anodo, migliorare l'uniformità di dissoluzione e ridurre il tasso di autocorrosione; mentre impurità dannose come ferro, rame e piombo deteriorano significativamente le prestazioni dell'anodo.
Il ferro è l'elemento di impurità più dannoso negli anodi di zinco. Il ferro ha una solubilità estremamente bassa nello zinco e precipita ai bordi dei grani come fase ricca di ferro, formando microcoppie, accelerando l'autocorrosione dell'anodo di zinco e riducendo l'efficienza della corrente. La norma ASTM B418 stabilisce rigorosamente che il contenuto di ferro degli anodi di zinco di Tipo I deve essere ≤0.005% e il contenuto di ferro degli anodi di zinco di Tipo II ad alta purezza deve essere ≤0.0014%.
Anche impurità come rame e piombo possono aumentare l'autocorrosione degli anodi di zinco, con conseguente riduzione dell'efficienza di corrente e variazione positiva del potenziale. Pertanto, tutti gli standard autorevoli prevedono rigorosi requisiti di controllo sul loro contenuto.
La temperatura
La temperatura è uno dei fattori ambientali più significativi che influenzano le prestazioni degli anodi di zinco. A temperatura ambiente (0°C~50°C), all'aumentare della temperatura, l'attività dell'anodo di zinco aumenta, la corrente erogata aumenta, l'uniformità di dissoluzione migliora e l'effetto protettivo è buono. Tuttavia, quando la temperatura del mezzo supera i 60°C, le prestazioni degli anodi di zinco tradizionali peggiorano drasticamente.
Da un lato, le alte temperature accelerano l'autocorrosione dell'anodo di zinco, con conseguente significativa riduzione dell'efficienza di corrente e una drastica riduzione della durata utile. Dall'altro, in ambienti acquatici ad alta temperatura, il potenziale dell'elettrodo di zinco si sposta rapidamente verso il positivo e, quando la temperatura supera gli 80 °C, si verifica un'inversione di potenziale.
A questo punto, l'anodo di zinco perde completamente la sua funzione protettiva e può persino accelerare la corrosione dell'acciaio. Pertanto, è severamente vietato l'uso degli anodi di zinco tradizionali in ambienti chimici in cui la temperatura supera i 60 °C per periodi prolungati. Per applicazioni ad alta temperatura, è necessario selezionare anodi in lega di zinco speciali e resistenti alle alte temperature.
Valore pH medio
Il valore di pH del mezzo determina direttamente le caratteristiche di solubilità dei prodotti di corrosione sulla superficie dell'anodo di zinco, influenzando così l'attività dell'anodo e il rischio di passivazione. Gli anodi di zinco sono stabili in mezzi neutri, debolmente acidi e debolmente alcalini con valori di pH compresi tra 6 e 12. I prodotti di corrosione sono idrossido di zinco e sali di zinco sciolti, facilmente distaccabili e che non formano una pellicola di passivazione densa.
Quando il pH del mezzo è < 4, in un ambiente fortemente acido, la velocità di corrosione dello zinco accelera drasticamente. L'autocorrosione è grave, l'efficienza della corrente diminuisce significativamente e l'anodo si guasta rapidamente. Pertanto, gli anodi di zinco non sono raccomandati per l'uso in mezzi chimici fortemente acidi con pH < 4.
Quando il pH del mezzo è > 12, sulla superficie dell'anodo di zinco si forma un denso film di passivazione di ossido di zinco. La corrente in uscita diminuisce significativamente e può verificarsi un guasto completo della passivazione. Pertanto, è severamente vietato l'uso di anodi di zinco in mezzi chimici fortemente alcalini con pH > 12.
Resistività e conduttività medie
La resistività e la conduttività del mezzo determinano direttamente la resistenza del circuito di protezione catodica, influenzando così la capacità di corrente in uscita e l'intervallo di protezione dell'anodo di zinco. Gli anodi di zinco hanno una tensione di pilotaggio relativamente bassa (0.15 V~0.25 V), rendendoli più adatti ad ambienti con mezzi a bassa resistività.
In mezzi a bassa resistività come l'acqua di mare e le acque reflue chimiche ad alta salinità (resistività <5Ω·m), gli anodi di zinco mostrano un'eccellente capacità di uscita di corrente. In ambienti di terreno e acqua dolce con resistività di 5~15Ω·m, gli anodi di zinco possono funzionare normalmente, ma la resistenza del circuito deve essere ridotta ottimizzando la disposizione degli anodi e utilizzando materiale di riempimento conduttivo. In ambienti con resistività di 15~30Ω·m, è necessario selezionare anodi di zinco dedicati ad alta resistività o aumentarne il numero. Quando la resistività del mezzo è > 30Ω·m, la tensione di pilotaggio dell'anodo di zinco è insufficiente a generare una corrente di protezione sufficiente, con conseguente protezione estremamente scarsa; il suo utilizzo è sconsigliato e si consiglia di utilizzare anodi di magnesio o sistemi di protezione catodica a corrente impressa.
Concentrazione di ioni cloruro
Gli ioni cloruro sono gli anioni più comuni nei mezzi chimici. Questo ha un impatto positivo significativo sulle prestazioni degli anodi di zinco. Gli ioni cloruro hanno una penetrabilità estremamente elevata, che può distruggere il film di passivazione sulla superficie dell'anodo di zinco, mantenerne l'attività, promuovere una dissoluzione uniforme e prevenire il fallimento della passivazione.
In ambienti con elevate concentrazioni di ioni cloruro (come acqua di mare, salamoia proveniente dall'industria dei cloro-alcali e acque reflue saline), gli anodi di zinco mostrano un'eccellente attività e un'elevata efficienza di corrente, rendendoli gli scenari applicativi ottimali. Tuttavia, in acqua dolce e in acqua ad alta purezza con concentrazioni di ioni cloruro estremamente basse, si forma facilmente un film di passivazione sulla superficie dell'anodo di zinco, che porta a una diminuzione della corrente erogata o addirittura al suo guasto. Pertanto, in ambienti con acqua dolce, è necessario selezionare anodi di zinco ad alta purezza.
Portata media
La portata del mezzo chimico influenza le condizioni superficiali e la velocità di corrosione dell'anodo di zinco. Nei mezzi a bassa portata (portata < 1 m/s), una portata moderata può rimuovere rapidamente i prodotti di corrosione dalla superficie dell'anodo, prevenendo la formazione di croste e la passivazione. Ciò contribuisce a mantenere l'attività dell'anodo e a migliorare l'efficienza della corrente.
Tuttavia, quando la portata del fluido è troppo elevata (portata > 3 m/s), l'effetto abrasivo del fluido ad alta velocità accelera l'usura meccanica e la dissoluzione per corrosione dell'anodo di zinco, con conseguente consumo dell'anodo significativamente più rapido. Pertanto, nei fluidi chimici a flusso ad alta velocità, è necessario selezionare una struttura anodica specifica e resistente all'abrasione.
Microrganismi
I batteri solfato-riduttori (SRB) e altri microrganismi sono ampiamente presenti nelle acque reflue chimiche, nel suolo e negli ambienti marini. Ciò può innescare la corrosione microbica (MIC), che ha un duplice impatto sulle prestazioni degli anodi di zinco. Da un lato, l'idrogeno solforato, un prodotto metabolico dei batteri solfato-riduttori, reagisce con gli ioni di zinco per formare solfuro di zinco, distruggendo il film di passivazione sulla superficie dell'anodo e mantenendone l'attività. Dall'altro, le attività vitali dei microrganismi accelerano l'autocorrosione dell'anodo di zinco, portando a una diminuzione dell'efficienza di corrente e persino a vaiolatura e perforazione localizzate.
In ambienti ricchi di microrganismi, come sistemi di trattamento chimico delle acque reflue, mezzi oleosi per acque reflue e terreni paludosi, è necessario scegliere anodi in lega di zinco resistenti alla corrosione microbica.
Applicazioni degli anodi sacrificali di zinco nell'industria chimica
L'industria chimica comprende numerosi sottosettori, tra cui petrolchimica, cloro-alcali, prodotti chimici del carbone, fertilizzanti, chimica fine e farmaceutica. Questi diversi settori presentano variazioni significative nelle condizioni di produzione, negli ambienti dei fluidi e nelle tipologie di apparecchiature, con conseguenti diverse caratteristiche di corrosione. Gli anodi sacrificali in zinco, con i loro esclusivi vantaggi prestazionali, sono stati ampiamente utilizzati nella protezione dalla corrosione di varie apparecchiature e strutture in acciaio in diversi sottosettori dell'industria chimica, dando vita a un sistema tecnologico di applicazione maturo e a specifiche standard.
Industria petrolchimica
L'industria petrolchimica è il sottosettore più grande e tecnologicamente più maturo dell'industria chimica in termini di scala di applicazione degli anodi sacrificali in zinco, coprendo l'intera catena industriale dall'estrazione, raccolta e trasporto di petrolio e gas, alla raffinazione del greggio, fino alla produzione di prodotti petrolchimici. Coinvolge diversi mezzi altamente corrosivi come petrolio greggio, petrolio raffinato, gas naturale, acque reflue contenenti zolfo e petrolio e gas ad alta temperatura e alta pressione. Attrezzature e strutture in acciaio sono esposte ad ambienti corrosivi complessi per periodi prolungati, richiedendo un'affidabilità estremamente elevata nella protezione dalla corrosione.
Serbatoi di stoccaggio del petrolio greggio
I serbatoi di stoccaggio sono le principali attrezzature di stoccaggio nell'industria petrolchimica, e comprendono serbatoi di stoccaggio di petrolio greggio, serbatoi di stoccaggio di petrolio raffinato, serbatoi di stoccaggio di materie prime chimiche e serbatoi di stoccaggio di prodotti intermedi. La piastra di fondo del serbatoio è la parte più gravemente corrosa e rappresenta il principale scenario di applicazione per gli anodi sacrificali in zinco.
Parete esterna della piastra di fondo del serbatoio: viene comunemente utilizzato uno schema di protezione combinato di anodi di zinco a blocchi preconfezionati e anodi di zinco a strisce. Gli anodi sono disposti uniformemente a maglie o ad anello all'interno dello strato di sabbia delle fondamenta del serbatoio, combinati con un rivestimento anticorrosivo in asfalto, formando un sistema di protezione composito "rivestimento + protezione catodica". La durata di vita prevista è in genere di 15-20 anni. Per i grandi serbatoi di stoccaggio di petrolio greggio di 100,000 metri cubi e oltre, gli anodi di zinco a strisce sono solitamente disposti ad anello lungo il bordo della piastra di fondo del serbatoio. Gli anodi a blocchi sono distribuiti a maglie all'interno del fondo del serbatoio per garantire una distribuzione uniforme della corrente ed eliminare i punti ciechi nella protezione.
Parete interna della piastra inferiore del serbatoio: per i serbatoi di stoccaggio del petrolio greggio, i serbatoi di stoccaggio del petrolio raffinato e i serbatoi di stoccaggio delle materie prime chimiche non fortemente acide, gli anodi di zinco a blocchi saldati sono saldati uniformemente alla parete interna della piastra inferiore del serbatoio e immersi direttamente nel mezzo, garantendo protezione alla piastra inferiore del serbatoio e alla parte inferiore della parete del serbatoio.
Caso applicativo: una grande base di riserva di petrolio greggio è dotata di 20 serbatoi di stoccaggio del petrolio greggio con una capacità di 100,000 metri cubi ciascuno, tutti dotati di un sistema di protezione catodica con anodi sacrificali in zinco. Ogni serbatoio è dotato di oltre 150 anodi di zinco a blocchi e oltre 800 metri di anodi di zinco a strisce. Il consumo totale di anodi è di oltre 450 tonnellate, con una vita utile prevista di 20 anni. Dopo 10 anni di funzionamento, i test hanno dimostrato che il potenziale di protezione della piastra di fondo del serbatoio rientrava interamente nell'intervallo accettabile da -0.85 V a -1.05 V, con un tasso di corrosione <0.008 mm/anno, a dimostrazione di eccellenti prestazioni protettive.
Oleodotti e gasdotti
Le condotte interrate in acciaio utilizzate nell'industria petrolchimica includono oleodotti per il petrolio greggio, oleodotti per la raccolta e il trasporto del gas naturale, oleodotti per il trasporto di materiali chimici e oleodotti per la circolazione dell'acqua. La loro lunghezza totale può raggiungere decine o centinaia di chilometri. Se interrate per lunghi periodi, sono soggette a molteplici rischi, tra cui corrosione del suolo, interferenza da correnti vaganti e corrosione microbica, il che le rende soggette a perforazione e perdite dovute a corrosione.
Condotte a lunga distanza: per oleodotti e gasdotti di grandi diametri e lunghe distanze, gli anodi di zinco a bracciale vengono installati uniformemente lungo l'asse della condotta. La spaziatura è solitamente di 50-100 metri, combinati con un rivestimento anticorrosivo 3PE per formare un sistema di protezione composito.
Condotte interrate: per condotte di materiali di piccole e medie dimensioni, condotte di circolazione dell'acqua e condotte di adduzione e drenaggio dell'acqua all'interno di impianti chimici, vengono utilizzati anodi di zinco preconfezionati a blocchi. Questi vengono interrati uniformemente lungo entrambi i lati della condotta, oppure anodi di zinco a strisce vengono posati parallelamente all'asse della condotta.
Sistema dell'acqua di raffreddamento
Il sistema di raffreddamento ad acqua circolante è un sistema di supporto fondamentale per le unità di raffinazione del petrolio. Ioni cloruro, ossigeno disciolto e microrganismi presenti nell'acqua circolante possono causare gravi corrosioni ad apparecchiature come scambiatori di calore, condensatori, reti di tubazioni dell'acqua di raffreddamento e pompe.
Per i sistemi di raffreddamento ad acqua di mare/acqua dolce vengono utilizzati anodi di zinco dedicati, tra cui anodi a forma di disco, a forma di asta e a forma di piastra, che vengono installati direttamente nelle camere d'acqua degli scambiatori di calore, nelle piastre tubiere del condensatore, nelle pareti interne dei tubi dell'acqua di raffreddamento e all'interno del corpo pompa. Nei sistemi di raffreddamento ad acqua di mare a flusso diretto, gli anodi di zinco sono più ampiamente utilizzati, raggiungendo efficienze di corrente superiori al 95%.
Industria dei cloro-alcali
I prodotti principali dell'industria dei cloro-alcali sono soda caustica, cloro e idrogeno. Il processo di produzione prevede l'utilizzo di mezzi altamente corrosivi come salamoia ad alta concentrazione, soda caustica, acido cloridrico e cloro umido, rendendolo uno dei settori più corrosivi dell'industria chimica. Le principali applicazioni degli anodi sacrificali di zinco nell'industria dei cloro-alcali includono:
Sistemi di salamoia
I sistemi di salamoia nell'industria dei cloro-alcali includono serbatoi di stoccaggio della salamoia satura, tubazioni di distribuzione della salamoia, chiarificatori e filtri. Questi sistemi sono costantemente esposti a soluzioni di cloruro di sodio ad alta concentrazione, con concentrazioni di ioni cloruro che superano i 300 g/L. Le apparecchiature in acciaio al carbonio e acciaio inossidabile sono soggette a grave corrosione per vaiolatura e fessurazione. Gli anodi di zinco a blocchi e anodi di zinco a strisce, installati sulle pareti interne dei serbatoi di stoccaggio della salamoia e lungo le tubazioni, forniscono una protezione catodica stabile per le apparecchiature in acciaio al carbonio, inibendo efficacemente la corrosione per vaiolatura indotta dai cloruri. La durata delle apparecchiature può essere estesa da 3 a oltre 10 anni.
Stoccaggio e trasporto della soda caustica
I serbatoi di stoccaggio e le condotte di soda caustica liquida sono apparecchiature fondamentali nell'industria dei cloro-alcali. Per i serbatoi di stoccaggio di soda caustica liquida a temperatura ambiente con una concentrazione ≤32%, viene utilizzata la protezione catodica con anodo di zinco. È importante notare che il pH della soda caustica liquida è solitamente >12, pertanto è adatta solo per proteggere la zona della piastra inferiore dove si accumula l'acqua; è severamente vietato utilizzarla nel suo complesso in soluzioni di soda caustica liquida ad alta concentrazione e alta temperatura.
Sistema di raffreddamento ad acqua circolante
Nell'industria dei cloro-alcali, le strutture in acciaio, le condutture e i serbatoi di stoccaggio nei sistemi di trattamento delle acque reflue acide e saline sono protetti con anodi di zinco preconfezionati e anodi di zinco a strisce, inibendo efficacemente la corrosione delle acque reflue e prolungando la durata di vita dell'impianto.
Reti di condotte interrate e protezione dalla corrosione dei serbatoi
I serbatoi interrati di stoccaggio di acido cloridrico, i serbatoi di stoccaggio di alcali liquidi e le condotte di trasporto dei materiali negli impianti cloro-soda sono soggetti sia alla corrosione del terreno che a quella interna. Una soluzione protettiva che combina anodi sacrificali di zinco con rivestimenti anticorrosivi può ridurre efficacemente il rischio di perforazione da corrosione.
Industria chimica del carbone
L'industria chimica del carbone utilizza il carbone come materia prima per produrre prodotti chimici come la conversione del carbone in petrolio, del carbone in olefine, del carbone in gas e del carbone in glicole etilenico. In ambienti estremamente corrosivi con alte temperature, alta pressione, alti livelli di zolfo, ioni cloruro e azoto ammoniacale, la corrosione delle apparecchiature è un problema importante. Gli anodi sacrificali in zinco, grazie alla loro eccellente resistenza alla corrosione da zolfo e ioni cloruro, sono ampiamente utilizzati nei sistemi di opere pubbliche, nei sistemi di stoccaggio e trasporto e nei sistemi di trattamento delle acque reflue nell'industria chimica del carbone.
Sistemi di acque reflue
Le acque reflue contenenti zolfo e le acque reflue di gassificazione del carbone contengono elevate concentrazioni di sostanze corrosive come acido solfidrico, azoto ammoniacale, ioni cloruro e fenoli, che causano una grave corrosione delle strutture in acciaio dei serbatoi di stoccaggio delle acque reflue, delle condotte e dei serbatoi di equalizzazione. Gli anodi sacrificali in lega di zinco, installati sulle pareti interne dei serbatoi di stoccaggio delle acque reflue e sulla superficie delle strutture in acciaio dei serbatoi delle acque reflue, inibiscono efficacemente la corrosione causata da acido solfidrico e ioni cloruro. Allo stesso tempo, i prodotti di corrosione dello zinco possono inibire l'attività dei batteri solfato-riduttori, riducendo il rischio di corrosione microbica, rendendolo il metodo anticorrosivo più economico ed efficace per i sistemi di trattamento delle acque reflue chimiche del carbone.
Stoccaggio, trasporto e condotte
Nell'industria chimica del carbone, le strutture in acciaio dei silos di stoccaggio del carbone grezzo, dei serbatoi di stoccaggio (metanolo, olefine, petrolio, ecc.) e delle condotte interrate utilizzano un anodo sacrificale di zinco combinato con uno schema di protezione con rivestimento anticorrosivo, inibendo efficacemente la corrosione del suolo, la corrosione atmosferica e la corrosione interna dei fluidi. In particolare, le pareti interne ed esterne delle piastre di fondo dei serbatoi di stoccaggio di metanolo e gasolio utilizzano comunemente anodi di zinco a blocchi per la protezione catodica.
Industria dei fertilizzanti
L'industria dei fertilizzanti comprende fertilizzanti azotati, fertilizzanti fosfatici, fertilizzanti potassici e fertilizzanti composti. La produzione coinvolge mezzi altamente corrosivi come ammoniaca, acido solforico, acido fosforico e urea. Le materie prime sono principalmente rocce fosfatiche e sali potassici, contenenti grandi quantità di ioni cloruro e solfato. La corrosione delle apparecchiature è un problema importante. Gli anodi sacrificali di zinco sono ampiamente utilizzati nei sistemi di stoccaggio e trasporto dell'industria dei fertilizzanti, nei sistemi di pubblica utilità e nei sistemi di trattamento delle acque reflue.
Sistema di stoccaggio e trasporto dell'ammoniaca
I serbatoi di stoccaggio dell'ammoniaca liquida e le condotte per l'ammoniaca gassosa sono apparecchiature fondamentali negli impianti di produzione di fertilizzanti azotati. I solfuri e gli ioni cloruro presenti nell'ammoniaca liquida causano una grave corrosione dei serbatoi di stoccaggio in acciaio al carbonio. Gli anodi sacrificali in zinco, saldati alla parete interna della piastra di fondo del serbatoio, inibiscono efficacemente la corrosione.
Stoccaggio e trasporto di acido solforico e acido fosforico
L'acido solforico e l'acido fosforico sono materie prime fondamentali per la produzione di fertilizzanti fosfatici. Per le piastre di fondo dei serbatoi di stoccaggio di acido solforico concentrato e dei serbatoi di stoccaggio di acido fosforico finito, la protezione catodica con anodi di zinco viene utilizzata per inibire efficacemente la corrosione nelle aree di accumulo di acqua della piastra di fondo del serbatoio, prolungandone la durata utile. È importante notare che l'uso di anodi di zinco è severamente vietato in soluzioni di acido solforico diluito o acido fosforico diluito con un pH < 4.
Sistemi di trattamento delle acque reflue
Le condotte interrate, le reti di approvvigionamento idrico e di drenaggio e le strutture in acciaio dei bacini di trattamento delle acque reflue negli impianti di produzione di fertilizzanti sono esposte a lungo termine ad ambienti corrosivi ad alto contenuto di sale, acido e alcali. Per la protezione catodica vengono utilizzati anodi di zinco preconfezionati e anodi di zinco a nastro. Questa è la soluzione più diffusa per la protezione dalla corrosione delle infrastrutture nel settore dei fertilizzanti.
Industrie farmaceutiche e chimiche
L'industria farmaceutica e chimica utilizza una varietà di mezzi, tra cui solventi organici, acidi forti, alcali forti, soluzioni saline e intermedi farmaceutici. Le attrezzature sono costituite principalmente da reattori di piccole e medie dimensioni, scambiatori di calore, serbatoi di stoccaggio e condotte.
Serbatoi di stoccaggio delle materie prime
I serbatoi di stoccaggio nell'industria farmaceutica e chimica sono per lo più serbatoi di piccole e medie dimensioni, con capacità comprese tra 10 e 1000 metri cubi. I fluidi stoccati sono principalmente solventi organici, soluzioni saline e fluidi acidi/alcalini deboli. Anodi di zinco a blocco saldati e anodi di zinco a barra sono installati sulla parete interna del serbatoio per fornire protezione catodica al fondo e alle pareti del serbatoio.
Reattori e scambiatori di calore
Le camicie, le piastre tubiere e i fondelli terminali dei recipienti per reazioni chimiche fini e degli scambiatori di calore sono le aree più gravemente corrose. Anodi di zinco realizzati su misura vengono installati nelle aree gravemente corrose per fornire una protezione catodica mirata e inibire la corrosione localizzata.
Sistemi di trattamento delle acque reflue
Le acque reflue provenienti dall'industria farmaceutica e chimica hanno una composizione complessa. Presentano un elevato contenuto di COD, azoto ammoniacale e sali, e sono altamente corrosive, con gravi conseguenze per gli impianti di trattamento delle acque reflue e le condotte. Gli anodi di zinco a nastro e gli anodi di zinco preconfezionati forniscono protezione catodica, inibendo efficacemente la corrosione delle acque reflue.
Trattamento delle acque reflue nei parchi industriali chimici
Gli impianti di trattamento delle acque reflue, le reti fognarie comunali e le condotte di acqua recuperata nei parchi industriali chimici sono esposti ad ambienti corrosivi con elevato COD, elevata salinità, elevato contenuto di azoto ammoniacale e alto contenuto microbico. Parti in acciaio incorporate, tubi in acciaio, saracinesche e rivestimenti delle apparecchiature all'interno di serbatoi in cemento armato subiscono una grave corrosione. Questo è uno scenario applicativo chiave per gli anodi sacrificali in zinco.
Per le strutture in acciaio di vasche di aerazione, vasche di sedimentazione e vasche di equalizzazione negli impianti di trattamento delle acque reflue, gli anodi di zinco a forma di striscia sono distribuiti uniformemente lungo il corpo della vasca. Per le reti fognarie interrate e le condotte di acqua recuperata, vengono utilizzati anodi di zinco a bracciale e anodi di zinco a forma di blocco preconfezionati per la protezione. Per le apparecchiature di trattamento delle acque reflue, come pompe, paratoie e raschiatori per fanghi, vengono utilizzati anodi di zinco a forma di barra e a forma di blocco personalizzati.
Conclusione
La tecnologia di protezione catodica con anodi sacrificali in zinco è diventata una delle tecnologie fondamentali per la protezione dalla corrosione delle strutture in acciaio nell'industria chimica. Questo articolo introduce sistematicamente le tipologie di anodi sacrificali in zinco comunemente utilizzate in campo chimico, tra cui anodi di zinco ad alta purezza, anodi Zn-Al-Cd, anodi ecologici senza cadmio e anodi funzionali speciali classificati in base alla composizione chimica, nonché anodi a blocco, a bracciale, a nastro e preconfezionati classificati in base alla forma strutturale. Il principio di funzionamento elettrochimico degli anodi sacrificali in zinco viene spiegato in dettaglio, chiarendo la natura elettrochimica della corrosione dei metalli e il meccanismo fondamentale della protezione catodica con anodi sacrificali. Vengono analizzati in dettaglio i principali parametri prestazionali, come il potenziale a circuito aperto, il potenziale operativo, la tensione di pilotaggio e l'efficienza di corrente, e viene analizzata in modo esaustivo l'influenza di fattori chiave come la composizione della lega, la temperatura, il valore del pH, la resistività e la concentrazione di ioni cloruro sulle prestazioni dell'anodo.
Vengono esaminati in modo approfondito gli scenari applicativi principali degli anodi sacrificali di zinco in vari sottosettori dell'industria chimica e vengono chiariti gli schemi applicativi degli anodi di zinco per le caratteristiche di corrosione dei settori petrolchimico, dei cloro-alcali, chimico del carbone, dei fertilizzanti e della chimica fine.
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