A proposal of AC corrosion mechanism of carbon steel in cathodic protection condition

Buried pipelines used to transport hydrocarbons and dangerous fluids are provided with corrosion prevention systems, consisting of an insulating coating and a cathodic protection (CP) system. CP reduces (or halts) corrosion rate, so that corrosion damage cannot occur during the designed lifetime of the structure. The presence of AC may cause serious corrosion damages on carbon steel structures, even in CP condition. When a metallic pipe is parallel to an high voltage transmission line (HVTL), AC interference can take place by a conduction or an induction mechanism causing corrosion corresponding to coating defects, even if the -0.850 V CSE criterion is matched. Uncertainties still exist on CP criteria in the presence of AC and on the mechanism by which AC corrosion occurs. In this research, a mechanism of AC-induced corrosion of carbon steel in CP condition is proposed. Electrochemical tests were carried out on carbon steel in soil simulating environment varying protection and interference conditions. AC causes the increase of both protection potential and current, due to an effect on steel polarization curves. An experimental corrosion risk diagram is proposed: overprotection (potential lower than -1.1 V CSE) is the most dangerous condition. A two-steps corrosion mechanism is proposed. Firstly, AC causes the electro-mechanical breakdown of the passive film formed on steel in CP condition (Step 1) and then corrosion occurs if the pH at the metal-to-electrolyte interface is close to 14 (Step 2). In order to investigate the AC effect on passive condition, tests were carried out on passive metals, as stainless steels in neutral solution and carbon steel in alkaline environment. AC has an harmful effect on passive condition, reducing the critical chlorides threshold and pitting potential and causing the film breakdown over a critical interference level. A mechanical breakdown mechanism is proposed: high alternating electric fields (in the order of 106 V/cm) within the passive film could cause the breakdown of the film itself. Electrostriction stresses are a possible explanation. After film breakdown, corrosion can occur if the pH inside the crack is close to 14; this strong alkalization can be reached in overprotection condition and in the presence of AC. Corrosion propagation was evaluated by means of penetration depth measurements on carbon steel specimens cathodically protected in soil through a magnesium alloy anode. Even if a service life prediction could be too hazardous by experimental data, the use of extreme value statistics provides a safe approach and is recommended in order to assess AC corrosion risk. AC has a harmful effect on magnesium anode consumption, due to the protection current increase and to the strong anodic efficiency decrease. The second effect plays the main role to increase anodic consumption.

Le strutture metalliche interrate, come ad esempio le tubazioni d’acciaio per il trasporto di idrocarburi, sono generalmente protette dalla corrosione da un sistema di protezione catodica (PC) e dall'utilizzo di rivestimenti isolanti che permettono di limitare la superficie metallica da proteggere alle sole zone esposte al terreno, come i difetti del rivestimento. L’interferenza da corrente alternata (CA) può causare corrosione delle strutture metalliche, anche se correttamente provviste dei suddetti sistemi di protezione. L’interferenza può avvenire attraverso un meccanismo di conduzione o induzione elettromagnetica tra la struttura metallica e una sorgente d’interferenza, come le linee dell’alta tensione e le linee ferroviarie alimentate in CA. Esistono ancora incertezze sui criteri di PC da adottare in presenza d’interferenza da CA e sul meccanismo mediante il quale la CA provoca corrosione dell’acciaio al carbonio protetto catodicamente. Scopo della ricerca è proporre un meccanismo di corrosione da CA dell’acciaio in condizioni di PC. Prove di laboratorio di tipo elettrochimico sono state effettuate su acciaio al carbonio in ambiente simulante terreno, al variare delle condizioni di protezione e del livello d’interferenza. La CA provoca l'aumento del potenziale e della corrente di protezione catodica, a causa di un effetto sulle curve caratteristiche potenziale-corrente dell’acciaio. In condizioni di sovraprotezione catodica (potenziali inferiori a -1.1 V CSE) il rischio di corrosione da CA è maggiore. Il meccanismo di corrosione proposto è a due fasi: inizialmente (Fase 1) la CA provoca la rottura localizzata del film passivo presente sull’acciaio in PC attraverso sforzi di tipo elettro-meccanico; successivamente (Fase 2) la corrosione dell’acciaio avviene in corrispondenza dei punti di rottura del film se il pH a contatto con il metallo raggiunge valori molto elevati (prossimi a 14). Sono state effettuate prove d’interferenza da CA su metalli a comportamento attivo-passivo (acciai inossidabili in ambiente neutro e acciaio al carbonio in soluzione alcalina) per studiare l’effetto della CA sulle condizioni di passività: la CA provoca la diminuzione del tenore critico di cloruri, del potenziale di pitting e, per valori superiori a una soglia critica, la rottura del film passivo. È ipotizzato un meccanismo di rottura del film di passività di tipo elettro-meccanico: elevati campi elettrici alternati provocherebbero nel film sforzi di elettrostrizione e, per valori dell’ordine di 106 V/cm, la rottura del film. A seguito della rottura del film di passività, la corrosione dell’acciaio può avvenire in condizioni di elevato pH (prossimo a 14), raggiunte in sovraprotezione catodica (elevate densità di corrente di protezione). Essendo la corrosione da CA di tipo localizzato, la propagazione della corrosione è stata valutata mediante la statistica dei valori estremi di misure di profondità di penetrazione della corrosione su provini d’acciaio al carbonio protetti da un anodo galvanico in lega di magnesio. Il consumo anodico aumenta in presenza di CA, a causa sia dell’aumento della corrente di protezione catodica erogata dall’anodo, sia della diminuzione dell’efficienza anodica.