Effect of intermittent cathodic protection on potential and corrosion rate of carbon steel in soil simulating solution

The study of the effects of the interruption of the cathodic current in cathodic protection (CP) system is nowadays in a preliminary stage. Indeed, in real application cathodic protection is applied in a stationary way by means of a direct current that guarantees the reduction of corrosion rate. Nevertheless, often accessibility to energy sources is limited or cheaper solutions are preferred. In particular, nowadays a possible solution is represented by the use of renewable energy sources, as photovoltaic panels, whose energy production is confined to the hours of light (thanks to the batteries, energy is often available even at night, but not always sufficient for protection). In this work, the effects of the interruption of cathodic protection on potential monitoring and corrosion rate of carbon steel are evaluated. Laboratory tests on carbon steel specimens in soil simulating condition under intermittent CP condition were carried out, varying the ON period (i.e. when the CP current is applied) and the OFF period (without cathodic protection). Long-term tests (about four months) were performed, during which potential has been monitored for 24 hours each week, in order to study the effect of current interruption on the potential of the metal, which is the most important parameter monitored in the field to verify CP condition of a structure (E < -0.85 V CSE). At the end of the test, mass loss rate was determined and compared to the corrosion rate of a control specimen in free corrosion condition. Results show that, in most of the cases, the potential remains below (more negative) the protection level (-0.85 V CSE) after the interruption of the current, so that the metal can maintain the protection condition: the duration of this time depends mainly on the duration of the ON and OFF periods. In particular, during the ON period, oxygen is consumed and alkalinity is produced due to the cathodic current. These effects are not immediately lost after the interruption of the current. Longer ON periods favour the maintaining of CP condition. After this period, the potential increases up to the free corrosion condition, with an increase of corrosion rate. The mass loss rate values have been finally analyzed considering three interpretation models. In many cases lower corrosion rates than those evaluated considering the metal with active electrochemical behaviour were measured. This means that the CP has non-negligible chemical effects that extend for a short time even after its interruption. The formation of passive condition on steel in CP condition is a possible explanation.

Lo studio degli effetti della protezione catodica (PC) intermittente, vale a dire con corrente di protezione interrotta periodicamente, è attualmente in una fase preliminare. Nelle applicazioni di campo della protezione catodica, la corrente è applicata in modo stazionario, garantendo l'abbassamento del potenziale del metallo e la conseguente riduzione della velocità di corrosione. Tuttavia, spesso l'accessibilità alle fonti energetiche è limitata o si preferiscono soluzioni meno costose. In particolare, oggigiorno una possibile soluzione è rappresentata dall'utilizzo di fonti energetiche rinnovabili, come i pannelli fotovoltaici, la cui produzione di energia è limitata alle ore di luce (grazie alle batterie, l'energia è spesso disponibile anche di notte, ma non sempre sufficiente per garantire permanentemente la protezione). In questo lavoro di tesi sono valutati gli effetti dell'interruzione della protezione catodica sul potenziale e sulla velocità di corrosione dell'acciaio al carbonio. Sono stati effettuati test di laboratorio su provini di acciaio al carbonio in condizioni di protezione catodica intermittente in soluzione simulante terreno, variando il periodo di attivazione, detto periodo ON, cioè quando viene applicata la corrente di PC, e il periodo OFF (senza protezione catodica). Sono stati eseguiti test a lungo termine (circa quattro mesi), durante i quali il potenziale è stato monitorato per 24 ore a settimana, al fine di studiare l'effetto dell'interruzione corrente sul potenziale del metallo, che è il parametro più importante monitorato in campo per verificare la protezione di una struttura (definita da E <-0,85 V CSE). Alla fine della prova, la velocità di corrosione mediante perdita di massa è stata determinata e confrontata con la velocità di corrosione di un campione di riferimento in condizioni di corrosione libera. I risultati mostrano che, nella maggior parte dei casi, il potenziale rimane inizialmente inferiore (più negativo) al livello di protezione (-0,85 V CSE) dopo l'interruzione della corrente. Ciò significa che il metallo è in grado di mantenere la condizione di protezione anche a seguito dell'interruzione di corrente: la durata di questo tempo dipende principalmente sulla durata dei periodi ON e OFF. In particolare, durante il periodo ON, l'ossigeno viene consumato e l'alcalinità viene prodotta dalla corrente catodica. Questi effetti non sono immediatamente persi dopo l'interruzione della corrente, ma permangono fino ad annullarsi in tempi più lunghi. In particolare, periodi di ON più lunghi favoriscono il mantenimento della condizione di PC. I valori di velocità di corrosione sono stati infine analizzati considerando tre modelli di interpretazione. In molti casi sono stati misurati valori di velocità di corrosione inferiori a quelli valutati considerando il metallo con comportamento elettrochimico attivo. Ciò significa che la PC ha effetti chimici non trascurabili che si estendono per un breve periodo anche a valle della sua interruzione. La formazione di condizioni di passività sull'acciaio è una possibile spiegazione.