Potential probes for cathodic protection application : accuracy of the IR-free potential measurement and design of a new solid internal backfill

Cathodic protection (CP) is an electrochemical technique that allows to protect metallic structure, for example a buried or immersed pipeline, from corrosion. CP work through the application of a direct current between the anode and the structure to be protected (cathode). Cathodic protection criteria, defined from the ISO 15589-1 and EN 12954 standards, establishes that a buried structure is protected by CP when the IR-free potential of the structure (EIR-free), namely potential without the ohmic drop contribution (IR), is lower than the protection potential. In case of a structure in carbon steel, the structure is protected by CP when the EIR-free is lower than -0.850 V CSE. For these potential values, the corrosion rate is lowered to a value that it can be considered negligible (lower than 10 µm/year). The aim of this thesis work is to study the potential probes, a device that is in principle able to measure the IR-free potential, the one without the ohmic drop. From the standards a potential probe is defined as a steel coupon, that simulates a coating defect present on metallic structure with incorporated an internal reference electrode generally made of copper/copper sulphate (Cu/CuSO4, CSE) placed very close to the coupon (few cm) inside a plastic container. In particular in the first part of the work some commercial potential probes have been analysed with different geometry, extension of the active ceramic part, position of the coupon distance between reference electrode-coupon. For each probe the efficiency in the measurement of the IR-free potential, through some tailored tests aimed to evaluate the stability of the internal electrode of the probe and to evaluate the capacity to eliminate the ohmic drop, was evaluated. The results showed however that not all the probes already present on the market are able to measure efficiently the IR-free potential. In the last part of this work a study on a solid electrolyte in copper sulphate to be used in the future inside potential probe with copper electrode was done. Actually those probes have an internal electrolyte that is liquid or semi-liquid (gel) with the disadvantage to dry out due to liquid loss from the porous septum and so they loose their functionality. This part of the research is divided in two parts, in the first part some mixtures with copper sulphate and solid binder, such as gypsum and concrete, in different proportion with water were studied. Subsequently through measures of conductivity and mass loss, the most prominent mixtures, which the reference electrode was prepared with, were selected.

La protezione catodica (PC) è una tecnica elettrochimica di prevenzione della corrosione che permette di proteggere una struttura metallica, ad esempio una condotta interrata o immersa, dalla corrosione mediante l’applicazione di una corrente continua tra un anodo e la struttura da proteggere (catodo). Il criterio di protezione catodica, definito dalle normative ISO 15589-1 ed EN 12954, stabilisce che una struttura interrata è protetta da PC quando il potenziale IR-free della struttura (EIR-free), ovvero quello senza la caduta ohmica (IR), è minore del potenziale di protezione. Nel caso di una struttura in acciaio al carbonio, essa risulterà protetta da PC se il potenziale EIR-free sarà inferiore a -0.850 V CSE. Per tali valori di potenziale la velocità di corrosione è rallentata al punto di essere considerata trascurabile (inferiore a 10 µm/anno). L’obiettivo di questo lavoro di tesi si colloca pertanto nell’ambito di uno studio di sonde di potenziale ovvero di dispositivi che permettono di misurare il potenziale IR-free, quello decurtato della caduta ohmica. Dalle norme si definisce sonda di potenziale un dispositivo dotato di una piastrina in acciaio (coupon), che simula un difetto nel rivestimento della struttura, e di un elettrodo di riferimento interno in genere rame/solfato di rame (Cu/CuSO4, CSE) posto molto vicino (pochi cm) alla piastrina all’interno di un contenitore di platica. In particolare, nella parte iniziale di questo lavoro sono state selezionate alcune sonde commerciali attualmente in uso, diverse per geometria, estensione del setto poroso, posizione della piastrina e distanza elettrodo-piastrina. Per ogni sonda è stata verificata l’efficacia nella misurazione del potenziale EIR-free attraverso specifici test volti a misurare la stabilità dell’elettrodo interno e a valutare la capacità di eliminare la caduta ohmica. I risultati, tuttavia, mostrano che non tutte le sonde attualmente in commercio sono in grado di misurare efficacemente il potenziale IR-free. Nella fase finale di questo lavoro è stato messo a punto un elettrolita solido a base solfato di rame da poter, in futuro, essere utilizzato all’interno delle sonde di potenziale con elettrodo di rame. Attualmente tali sonde presentano un elettrolita interno liquido o a gel e hanno lo svantaggio di seccarsi a causa della perdita di liquido attraverso il setto poroso con la conseguente perdita di funzionalità. Questa parte della ricerca è divisa in due fasi, in una prima fase sono state realizzate e studiate delle miscele contenti solfato di rame saturo e leganti solidi come gesso o cemento miscelati in diverse proporzioni con acqua. Successivamente attraverso delle misure di conducibilità e perdita di massa sono state selezionate le miscele più promettenti con cui successivamente sono stati realizzati degli elettrodi di riferimento.