Alternative materials to galvanized steel used as armoring in submarine a.c. power cables

The most prominent construction element of submarine cables is the armoring, which provides both tension stability and mechanical protection. For example, three-core submarine AC cables have an armor made from carbon steel, typically with a zinc coating (Galvanized steel). General corrosion, linked to the nature of marine salts water, must be considered seriously when designing submarine power cables. The aim of our work is to find out a proper material as alternative to the galvanized steel, with a better performance against corrosion and a market price in line with the above mentioned one. Carbon steel coated with aluminum (Aluminum clad steel) and alloys of zinc, magnesium and aluminum (commercially called Stronsal and Galvalume), alternative to galvanized steel, were studied in terms of corrosion resistance by laboratory tests in natural seawater. Their performance against corrosion were tested by immersion in natural seawater in several conditions that are different in terms of oxygen content and temperature. Corrosion rates were measured by weight loss method and Linear polarization resistance (electrochemical technique), and samples were characterized by Optical Microscopy in order to progressively observe the status of the considered coating in the different conditions. All the analysis clearly showed that the Aluminum clad steel has corrosion rates similar to the Galvanized steel in all the examined conditions; but at high temperature condition (70°C) the aluminum coating is the only one that remains undamaged. Therefore it results to be an excellent alternative to the Galvanized steel, that, on the contrary, fails already at 50°C. Another issue concerning galvanized steel is about its ferromagnetic nature, which causes a generation of losses and extra heat in AC submarine cables. A very interesting alternative is austenitic stainless steel, which is not ferromagnetic and therefore does not cause power losses. So, one of the cheapest stainless steel, AISI 302, with a cathodic protection (sacrificial carbon steel anode), was tested. Free corrosion potential measurements, with and without protection, and protection current density measurements were done to design the cathodic protection system for a service life of 20 years.

Nei cavi sottomarini a corrente alternata (AC) uno degli elementi costitutivi più importanti è sicuramente l’armatura, la quale offre stabilità e protezione meccanica. Ad esempio, i cavi sottomarini AC a tre conduttori possiedono un'armatura in acciaio al carbonio, tipicamente con un rivestimento di zinco (acciaio zincato). Il fenomeno della corrosione in acqua di mare deve essere considerato seriamente quando si progettano cavi di alimentazione sottomarini. Lo scopo di questo lavoro è scoprire un materiale adeguato in alternativa all'acciaio zincato, con prestazioni migliori contro la corrosione e un prezzo di mercato in linea con quest’ultimo. L'acciaio al carbonio rivestito con alluminio (Aluminum clad steel) e leghe di zinco, magnesio ed alluminio (chiamati commercialmente Stronsal e Galvalume) quali alternative all'acciaio zincato, sono stati studiati in termini di resistenza alla corrosione mediante test di laboratorio in acqua di mare naturale. Le loro prestazioni contro la corrosione sono state testate per im-mersione in acqua di mare naturale in varie condizioni che sono differenti in termini di contenuto di ossigeno e temperatura. I corrosion rate sono stati misurati con il metodo di perdita in peso e la resistenza di polarizzazione lineare (tecnica elettrochimica); i campioni sono stati caratterizzati dalla microscopia ottica al fine di osservare progressivamente lo stato del rivestimento considerato nelle diverse condizioni. Tutte le analisi hanno mostrato chiaramente che l’Aluminum clad steel presenta corrosion rate simili all'acciaio zincato in tutte le condizioni esaminate; ma nelle condizioni di alta temperatura (70°C) il rivestimento in alluminio è l'unico che rimane intatto. Pertanto, l'Aluminium clad steel risulta essere un'ottima alternativa all'acciaio zincato, che al contrario degrada in maniera importante già a 50°C. Un’altra questione importante a proposito dell'acciaio zincato è la sua natura ferromagnetica, che genera perdite e calore all’interno dei cavi sottomarini AC. Un'alternativa molto interes-sante all'acciaio zincato può essere quindi l'acciaio inossidabile austenitico, che non è ferro-magnetico e quindi non provoca perdite di potenza. Di conseguenza, è stato testato uno degli acciai inossidabili più economici, l’AISI 302, con una protezione catodica con anodi sacrifica-le in acciaio al carbonio. Sono state effettuate misure del potenziale libero di corrosione, con e senza protezione, e misure della densità di corrente di protezione per effettuare il design del sistema di protezione catodica per una vita di servizio di 20 anni.