Eficienţa energetică - caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL (XXIV)

În numărul anterior am prezentat o preocupare relativ nouă a specialiştilor ICPE ACTEL în domeniul protecţiei catodice active la coroziune. S-au prezentat metodele protecţiei anticorozive, principiul protecţiei catodice şi s-a iniţiat modelul matematic al protecţiei catodice active, pornind de la dualitatea coroziunii ca fenomen chimic şi electrochimic. Pornind de la teorie, ICPE ACTEL şi-a propus să dezvolte soluţii şi echipamente, care să evidenţieze rolul protecţiei catodice active în combaterea coroziunii me­talelor.

1. Introducere

Protecţia catodică anticorozivă cu anozi de sacrificiu este folosită pe scară largă pentru protejarea suprafeţelor mici (a navelor cu tonaj mic, a tubulaturilor de dimensiuni mici şi medii) în medii corozive.

Avantajele ei constau în aceea că tehnologia de aplicare şi de întreţinere a anozilor de sacrificiu este ieftină şi se realizează într-un timp relativ scurt.

Are, însă, o serie de dezavantaje, care impun protecţia catodică activă ca o metodă mult mai economică şi mai avantajoasă.

Dintre aceste dezavantaje amintim:

• preţ de cost mare al zincului de puritate ridicată;
• durată de viaţă limitată (max. 2 ani) pentru astfel de electrozi consumabili;
• cheltuieli mari pentru operaţiile de înlocuire;
• imposibilitatea obţinerii unor suprafeţe echipotenţiale, datorită faptului că prin această metodă nu se poate controla curentul injectat pentru compensarea curenţilor de coroziune electrochimică.

Aceste inconveniente reprezintă tot atâtea motive care fac din protecţia catodică activă un deziderat pentru beneficiarii ce au nevoie de protecţie anticorozivă.

2. Principiul protecţiei catodice active

În figura 1 se prezintă schematic principiul protecţiei catodice active şi procesele electrochimice ce se petrec la nivelul elementelor care intră în sistemul de protecţie.

În cazul protecţiei catodice active se folosesc anozi permanenţi, u, din diferite materiale cum ar fi fontă, zinc, titan platinat etc. Ei sunt apţi de a accepta o densitate de curent convenabilă 5…15 A/dm².

Electrodul de referinţă este foarte important în obţinerea unor performanţe maxime în cadrul protecţiei catodice active. Potenţialul măsurat de electrozii de referinţă controlează reglarea automată a curentului cu care sunt alimentaţi anozii permanenţi. Variaţiile de potenţial la nivelul suprafeţei protejate sunt traduse în variaţii ale curentului sursei în scopul menţinerii potenţialului corpului protejat în limitele predeterminat impuse.

Sunt cunoscute în literatura tehnică câteva tipuri constructive de electrozi de referinţă, cum ar fi:

• electrodul de calomel;
• electrodul de argint – clorură de argint;
• electrodul de cupru – sulfat de cupru;
• electrodul de zinc.

Redresorul comandat este elementul esenţial al obţinerii unui câmp electric controlat care să compenseze câmpul electrodinamic de coroziune.

El se dimensionează în funcţie de suprafaţa ce urmează a fi protejată, folosindu-se o densitate de curent necesară, care variază de la caz la caz, în  funcţie de foarte mulţi factori de care trebuie să se ţină cont în protecţia catodică activă.

Redresorul comandat este realizat ca sursă de tensiune, cu limitarea curentului debitat pe sarcina formată din anozii permanenţi distribuiţi astfel încât să se acopere echipotenţial suprafaţa ce urmează a fi protejată.

3. Modelarea fenomenului de coroziune elec­tro­chimică. Metode de calcul ale câmpului electric

Pentru modelarea fenomenului electrochimic trebuie cunoscuţi parametrii şi evoluţia în timp a acestora. Cum regimurile dinamice în procesul de coroziune sunt foarte lente, aproximarea acestui câmp cu un câmp electric staţionar reprezintă punctul de plecare.

Spre deosebire de câmpul electrostatic, neînsoţit de transformări de energie în corpurile imobile  omogene, câmpul electric staţionar este diferit de zero în medii conductoare omogene sau neomogene, motiv pentru care în aceste conductoare se stabileşte o densitate de curent constantă în timp, respectiv un curent continuu.

Metodele de calcul ale câmpului electric sunt, în principal, cele clasice şi anume :

• Metode analitice;
• Metode numerice;
• Metode grafice;
• Metode grafo-analitice.

Primele metode au avantajul obţinerii unor soluţii sub forma unor funcţii cunoscute şi, deci, uşor de interpretat.

În principal, metodele analitice sunt cunoscute în literatură ca:

• metode directe
• metoda integrării ecuaţiilor Poisson - Laplace
• metoda imaginilor electrice
• metoda Kelvin
• metoda funcţiilor de variabilă complexă n metoda transformărilor conforme
• metoda funcţiilor Green etc.

Metodele numerice se aplică pentru orice configuraţie de câmp, cu o eroare ce depinde de metoda de calcul. Dintre ele, amintim:

• metoda diferenţelor finite
• metoda Ritz - Galerkin
• metoda elementelor finite
• metoda elementelor de frontieră etc.

Metodele grafice constau în trasarea grafică a spectrelor liniilor de câmp echipotenţiale, iar varianta grafo-analitică din aproximarea formelor liniilor de câmp prin segmente de dreaptă şi arce de cerc.

Vom exemplifica prin metoda Ritz determinarea potenţialului într-un punct oarecare de pe o suprafaţă ce urmează a fi protejată, folosind o partiţie dreptunghiulară a acestei suprafeţe.

În figura 2 este prezentată, schematic, repartiţia amintită cu potenţialele în colţurile dreptunghiului.

În figura 2, funcţia V(x,y) este o soluţie a ecuaţiei lui Poisson,

              1).

Dacă f(x,y)  = 0, ecuaţia 1) devine ecuaţia lui Lapalce.

Soluţia V₀(x,y) în domeniul divizat în m, n elemente dreptunghiulare are expresia:

              2),

fiecare din funcţiile  fiind cu suport compact.

Pentru un pătrat şi f(x,y) = - 2, ecuaţia 2)  are forma:

           3),

cu:  i, j =1¸n

v_km = 0 dacă k, m =  0, m+1.

4. Concluzii

Metoda de calcul prezentată rezolvă ecuaţia Poisson cu condiţii de frontieră Dirichlet. Metoda este precisă şi precizia este cu atât mai mare cu cât partiţia are suprafaţă mai mică.

Rezultatele experimentale obţinute de ICPE ACTEL confirmă rezultatele teoretice, mai ales pe suprafeţe mari şi foarte mari, ceea ce confirmă faptul că protecţia catodică activă este recomandată în această zonă de aplicaţii. (va urma)