Effect of DC non-stationary interference on cathodic protection of carbon steel in soil-simulating solution

Buried structures, such as pipelines and tanks, used to transport or store hydrocarbons and dangerous fluids, are typically made of carbon steel and protected from soil corrosiveness by a cathodic protection (CP) system in combination with coatings. CP reduces or stops corrosion by means of an external DC current, that promotes the polarization of the structure below a protection potential, given by international standards. For example, when dealing with carbon steel in aerated condition, the potential threshold is -0.85 V CSE, according to ISO 15589-1: when the potential becomes more negative than this value, the corrosion rate is considered acceptable, i.e. lower than 10 m/y. Nevertheless, in the presence of stray currents interference, DC induced corrosion can take place and cause serious damages on a metallic structure, even under CP condition. This thesis work is part of a research dealing with the study of the effects of DC interference on carbon steel under cathodic protection. In this regard, long-term, galvanostatic tests were carried out on cathodically protected carbon steel specimens placed in a soil-simulating solution, with the aim to validate and confirm previous results on the subject. The behavior of carbon steel at different protection and DC interference current density was investigated in order to evaluate the corrosion rate and the time spent out of protection (i.e. at potentials higher than the threshold one). These data were achieved through electrical resistance method and used to confirm an interpretation mechanism introduced in previous studies. Another aspect considered in this work concerns the pH behavior at the metal-electrolyte interface for cathodically protected carbon steel specimens under DC interference condition. The results show the fundamental role of the alkaline environment close to the cathode surface, not only during CP, but also during the anodic interference period. In fact, the alkalinization of the cathode, caused by the CP system, promotes the arise of passivity condition at the surface; this condition is kept for a certain period even after the CP stops, and has beneficial effects on the corrosion behavior of carbon steel.

Strutture interrate, quali condotte e serbatoi che vengono utilizzati per trasportare o immagazzinare idrocarburi ed altri liquidi pericolosi, sono tipicamente realizzate in ferro e protette da fenomeni corrosivi con l’utilizzo di sistemi di protezione catodica (PC) e rivestimenti. La protezione catodica permette di ridurre o azzerare il fenomeno corrosivo utilizzando una corrente esterna che promuove la polarizzazione della struttura al di sotto di una soglia di potenziale che viene data da standard internazionali. Ad esempio, nel caso di strutture in ferro esposte a condizioni aerate (quale il suolo), il potenziale limite, di protezione, è -0.85 V CSE, come da standard ISO 15589-1. Quando il potenziale è più negativo di -0.85 V CSE, il corrosion rate è da considerarsi trascurabile, il che significa, da un punto di vista ingegneristico, minore di 10 m/y. Tuttavia, in presenza di correnti vaganti esterne, il fenomeno di corrosione può verificarsi e causare seri danni alla struttura, anche se protetta da PC. Questa tesi fa parte di un più ampio lavoro di ricerca volto a studiare gli effetti di questo tipo di corrosione (causata da fonti esterne di corrente diretta) su strutture in ferro sottoposte a PC. A tal proposito, sono stati sviluppati dei test galvanostatici su provini in ferro immersi in una soluzione che simulasse un suolo a pH7. Il comportamento a corrosione di questi provini è stato studiato attraverso l’utilizzo di una sonda a resistenza elettrica (ER Probe), grazie alla quale è stato possibile valutare la perdita di spessore, e conseguentemente il corrosion rate, del campione. Un altro aspetto considerato in questo lavoro riguarda la variazione del pH alla superficie del metallo (interfaccia metallo-elettrolita), nei casi in cui vengano applicate protezione catodica e/o interferenza anodica. Dai risultati, è possibile verificare come l’aumento di pH, dovuto al processo di PC, rimanga importante anche durante la fase di interferenza: la condizione di passività data dalla PC viene mantenuta dal sistema per qualche minuto anche quando la PC viene tolta, con effetti positivi sul processo corrosivo del campione.