BR112018067413B1

BR112018067413B1 - Sistema e método de proteção catódica para um componente ou substrato de metal e componente projetado para uso submarino

Info

Publication number: BR112018067413B1
Application number: BR112018067413-3A
Authority: BR
Inventors: Lars Artun; Mariano IANNUZZI
Original assignee: Vetco Gray Scandinavia As
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2017-03-01
Publication date: 2023-04-18
Also published as: CN109154089A; NO20160374A1; BR112018067413A2; WO2017149030A1; AU2017226940A1; CA3016238A1; AU2017226940B2; CA3016238C; US20230235463A1; EP3423611A1; US20190048477A1

Abstract

Trata-se de um método para reduzir a massa de anodo total de um sistema de proteção catódica (CP) reduzindo-se ou eliminando-se a área total de catodo, sendo que o sistema compreende: um revestimento de primeira camada metálica (2) que é anódica ao componente ou substrato a ser protegido, ligada ao componente ou substrato e eletricamente condutiva. Um anodo de sacrifício na forma de um revestimento de segunda camada metálica (3) é distribuído sobre o revestimento de primeira camada (2). O revestimento de segunda camada (3) tem um potencial de circuito aberto que é igual ao revestimento de primeira camada ou que é anódico ao revestimento de primeira camada e ao substrato, o revestimento de segunda camada (3) eletricamente condutivo ligado ao revestimento de primeira camada (2) e exposto ao ambiente circundante.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se geralmente a proteção catódica de objetos metálicos sujeitos a corrosão. Mais precisamente, a invenção se refere a um sistema e um método de proteção catódica por deposição de revestimentos de sacrifício de proteção contra a superfície de um objeto metálico, ferroso ou não ferroso. Em analogia, com isso, a invenção também se refere a um componente submarino que transporta o sistema de proteção catódica da presente invenção.

[002] O sistema e o método da presente invenção reduzem drasticamente a área total de catodo distribuindo-se o anodo de sacrifício sobre a estrutura a ser protegida, que fornece ainda um grau equivalente de proteção para anodos de sacrifício convencionais. A invenção, a seguir, também denominada proteção catódica por anodos de sacrifício distribuídos (DSA), pode reduzir efetivamente a área total de catodo totalmente ou reduzir o mesmo para pequenos defeitos em consideração a uma pequena fração da área de superfície total do componente ou ser usado em combinação com anodos de sacrifício convencionais, no caso, áreas maiores têm que ser tradicionalmente revestidas, por exemplo, sistemas de pintura e outros revestimentos não condutivos.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[003] A corrosão eletroquímica é um processo que é iniciado quando uma estrutura de metal eletricamente condutiva entra em contato com uma substância eletricamente condutiva, como solo molhado ou água que pode conter vários oxidantes. Em sistemas submarinos, a água do mar atua como o eletrólito de uma célula galvânica em que uma corrente passa de um sítio de anodo para um sítio de catodo de uma estrutura de metal submersa, que causa alterações eletroquímicas que resultam em produtos de corrosão no metal. Durante a dissolução uniforme de uma estrutura de metal ferrosa submersa em água do mar, por exemplo, íons de ferro carregados positivamente (Fe2+) são liberados na água do sítio de anodo enquanto os elétrons liberados (e-) se movem para o sítio de catodo na superfície do metal. No sítio de catodo ocorre uma reação de redução na qual os elétrons são transferidos para oxigênio dissolvido (O2) e água (H2O) para formar íons hidróxido (OH-) e hidrogênio, dependendo do pH e da temperatura do eletrólito. Os íons ferrosos combinam com íons hidróxido para formar hidróxido de ferro (Fe(OH)2) ou ferrugem. Se nenhuma medida for tomada para evitar corrosão eletroquímica, toda a estrutura pode ser afetada. Os metais não ferrosos reagem de maneira semelhante, formando diferentes tipos de produtos de corrosão.

[004] Na ausência de uma medida preventiva, por exemplo, proteção catódica, a porção da estrutura que tem o menor potencial de corrosão livre estará sujeita à dissolução ativa.

[005] A proteção catódica é um método para combater a corrosão em que a estrutura a ser protegida é produzida a partir de catodo líquido em uma célula galvânica. Quando adequadamente projetado, um sistema de proteção catódica pode reduzir as taxas de corrosão em mais de 2 ordens de magnitude ou suprimir totalmente a corrosão.

[006] Na proteção catódica de sacrifício, um metal ativo, isto é, um metal ou liga que tenha um potencial de corrosão livre que seja menor que a da estrutura a ser protegida, está eletricamente conectado à estrutura. Nesse circuito elétrico, o metal com o menor potencial de corrosão livre (isto é, o mais negativo) torna-se o anodo líquido, enquanto a estrutura se torna o catodo líquido. A corrosão do metal mais ativo polariza a estrutura para potenciais abaixo do seu potencial de corrosão livre, que reduz ou suprime a corrosão, dependendo do potencial acoplado. Em aplicações submarinas, por exemplo, o potencial típico de proteção catódica por anodos à base de alumínio de sacrifício está na ordem de -1,1 a -1,0 V vs Ag/AgCl|água do mar. No entanto, como regra geral, uma estrutura é considerada protegida contra a corrosão quando está polarizada abaixo de -0,8 V vs Ag/AgCl|água do mar.

[007] Os dos de sacrifício são produzidos a partir de metais e ligas que se corroem prontamente no ambiente dado. Os metais que são anódicos para a maioria das ligas de engenharia usadas na produção submarina de óleo e gás com base em alumínio e zinco, que podem ser usados como anodos de sacrifício em forma substancialmente pura ou como ligas. Hoje, a indústria de óleo e gás se padronizou no sistema Al-Zn-In, enquanto o uso de anodos à base de Zn é desencorajado devido à passivação e inversão de polaridade na água do mar.

[008] A proteção catódica de sacrifício de equipamentos submersos na produção e transporte submarino de óleo e gás geralmente requer uma considerável massa de anodo para proteger componentes submarinos remotos. A demanda por anodos é tradicionalmente determinada por padrões internacionais, como o DNV RP B401 (prática recomendada da Det Norske Veritas) e ISO 12473. Uma massa total de anodo na ordem de várias dezenas de toneladas não é incomum para um sistema submarino de óleo e gás. A tonelagem total do sistema CP aumenta o peso total e a complexidade das estruturas, que adiciona custos consideráveisde instalação, operação e manutenção.

[009] No passado, várias tentativas foram feitas para evitar a necessidade de grandes massas de anodos para obter proteção contra corrosão de equipamentos enterrados ou submersos. Uma estratégia que tem vários seguidores na literatura é a aplicação de revestimentos finos no exterior de um objeto que precisa de proteção.

[010] Um exemplo dessa estratégia pode ser encontrado no documento n° US 2015/226365 A1. Nessa invenção, um elemento de tubulação à base de ferro é revestido com uma camada interna que é anódica à base de ferro. Uma camada externa de cerca de 1 a 5 mm de espessura é produzida a partir de resina de polietileno ou polipropileno. A camada externa fornece um vedante dielétrico no topo da camada interna.

[011] Outro exemplo da mesma estratégia pode ser encontrado no documento n° CN 2536879. Um cano de óleo é revestido com uma camada interna anódica à base do cano. A camada interna é protegida por uma camada de topo produzida a partir de resina epóxi e é dielétrica.

[012] Uma abordagem semelhante pode ser encontrada no documento n° CN 201187267, que revela uma variante de múltiplas camadas de proteção anticorrosiva por revestimentos. Uma primeira camada passivadora de aço inoxidável duplex é aplicada ao exterior de um cano de óleo ou gás. Uma segunda camada com uma espessura de 100 a 150 μm é aplicada à primeira camada, sendo a segunda camada anódica à primeira camada e à base do cano. Um vedante de 10 a 50 μm de espessura é aplicado como revestimento de topo.

[013] Um outro sistema de revestimento de múltiplas camadas é revelado no documento n° US 8697251 B2. Um substrato de metal é revestido com uma camada interna, uma camada externa e uma camada intermediária. A camada interna é anódica ao substrato de metal. A camada intermediária é anódica para um ou ambos dentre o substrato e a camada interna. A camada externa é um óxido e funciona como um revestimento dielétrico, evitando assim o contato eletroquímico entre as camadas subjacentes e as imediações. O óxido de alumínio (Al2O3) é mencionado como um dielétrico adequado na camada externa do sistema de revestimento de múltiplas camadas. A espessura total do sistema é de cerca de 250 μm, enquanto a espessura da camada intermediária, que funciona como anodo de sacrifício, é de cerca de 50 a 75 μm.

[014] Um problema em sistemas de revestimento de múltiplas camadas, como o revelado no documento n° US 8697251 B2, é que a corrosão de uma camada subjacente pode causar empolamento e separação entre camadas. Esse problema surge quando a superfície de uma camada inferior é corroída e produtos de corrosão são formados. Os produtos de corrosão têm propriedades mecânicas pobres e são tipicamente sujeitos a dilatação, o que pode ser devido à formação de hidratos ou devido a produtos de corrosão serem solúveis em água. Uma complicação adicional é que a camada externa desses sistemas, isto é, a que está exposta ao fluido corrosivo, é um dielétrico ou um isolante elétrico. Assim, as soluções conforme mencionadas acima dependem principalmente da integridade do revestimento de barreira. Se fizer parte de um sistema submarino, essas áreas devem ser levadas em consideração no projeto de proteção catódica.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[015] Em termos gerais, a presente invenção reduz ou suprime o consumo anódico reduzindo-se ou eliminando-se a área total de catodo a ser protegida. A invenção reduz drasticamente a massa de anodo enquanto mantém um grau de proteção contra corrosão idêntico ao da CP por anodos de sacrifício à base de Al convencionais (por exemplo, anodos de compensação, embutidos ou de pulseira).

[016] Um objeto da presente invenção é proporcionar um sistema de proteção catódica para proteção contra a corrosão de um substrato de metal ferroso ou não ferroso.

[017] Esse objeto é atendido por um sistema, conforme definido nas reivindicações anexas do sistema.

[018] Outro objeto da presente invenção é proporcionar um método para aplicar proteção catódica a um substrato de metal ferroso ou não ferroso.

[019] Esse objeto é atendido por um método definido nas reivindicações do método anexo.

[020] Ainda outro objeto da presente invenção é proporcionar um componente submarino resistente à corrosão destinado ao transporte de fluido de hidrocarboneto através de um lúmen ou passagem através de um corpo produzido a partir de metal ferroso ou não ferroso.

[021] Esse objeto é atendido por um componente definido nas reivindicações de componente anexas.

[022] Assim, em uma primeira realização, a presente invenção é um sistema de proteção catódica para um componente ou substrato de metal que compreende: • um revestimento de primeira camada metálica que é anódica ao substrato, ligado ao componente ou substrato e eletricamente condutivo, • um anodo de sacrifício na forma de um revestimento de segunda camada metálica distribuído sobre o revestimento de primeira camada, o revestimento de segunda camada que tem um potencial de circuito aberto que é igual ao revestimento de primeira camada metálica ou que é anódico ao revestimento de primeira camada, o revestimento de segunda camada eletricamente condutiva, ligado ao revestimento de primeira camada e exposto ao ambiente circundante.

[023] Uma realização essencial do revestimento de segunda camada que é exposto ao ambiente é que ele combina com as propriedades eletroquímicas (isto é, potencial de corrosão livre e capacidade de corrente) de um anodo de sacrifício convencional que é substituído total ou parcialmente pelo revestimento de segunda camada. O revestimento de segunda camada funciona como anodo de sacrifício que fornece corrente para defeitos ou áreas descobertas ou estruturas adjacentes, conforme apropriado.

[024] Visto que o anodo de sacrifício é distribuído sobre a estrutura, a área total de catodo é reduzida ou eliminada.

[025] A distribuição do anodo também reduz os problemas associados à queda ôhmica e melhora a distribuição de corrente.

[026] Defeitos no revestimento de segunda camada que poderiam levar à exposição do revestimento de primeira camada subjacente ou do substrato, como defeitos causados mecanicamente induzidos durante o manuseio ou instalação, por exemplo, podem ser considerados limitados a pequenas porções de toda a área protegida. Um máximo total de, por exemplo, um por cento (1%) de área defeituosa no revestimento externo é uma previsão moderada, que ilustra ainda o potencial benefício alcançável reduzindo-se a área de catodo.

[027] Devido à invenção proposta reduzir a área total do catodo distribuindo-se o anodo de sacrifício sobre toda a estrutura a ser protegida, a economia na massa total de anodo é substancial. A redução no anodo em virtude do CP proposto pela DSA é ilustrada pelo seguinte exemplo comparativo:

[028] Um conjunto planejado de extremidade de tubulação (PLET) para oito poços, três esquemas de cano de tubo de distribuição de um desenvolvimento de campo de gás situado a cerca de 130 km da costa em uma profundidade de trópico/subtrópica de aproximadamente 200 m exigiria uma massa bruta calculada de anodos de aproximadamente 26.000 kg em projetos de proteção catódica de sacrifício quando segue as diretrizes da DNV-RP-B401.

[029] Com uma área de defeito presumida de 1% na DSA, os mesmos componentes precisariam de uma massa total de anodo convencional de aproximadamente 2.000 kg, igualando uma redução de peso de anodos convencionais de aproximadamente 92%. A redução em massa de anodo convencional é igual a cerca de 20% do peso total do PLET.

[030] O revestimento de primeira camada contém liga de alumínio essencialmente puro ou de alumínio metálico. A escolha do alumínio para o revestimento de primeira camada resulta na redução da demanda por massa de anodo de sacrifício em comparação com a demanda de anodo necessária para proteger um componente ou substrato metálico não revestido.

[031] De modo semelhante, o revestimento de segunda camada é produzido a partir de uma liga de alumínio que tem potencial de circuito aberto idêntico ou que é anódica ao revestimento de primeira camada. O revestimento de segunda camada também é anódico para o componente ou substrato.

[032] A composição química do revestimento da segunda camada exposta ao ambiente corresponde, de preferência, à de um anodo de sacrifício convencional, que é substituído total ou parcialmente pelo revestimento de segunda camada de sacrifício.

[033] A superfície exposta ao ambiente deve ser, de preferência, produzida a partir de uma liga de alumínio-zinco-índio (Al-Zn-In) ou outra liga de alumínio com propriedades eletroquímicas que combinem com as da liga Al-Zn- In.

[034] O revestimento de segunda camada pode ser uma liga de Al que compreende Zn na faixa de 2 a 7% e In na faixa de 0,01 a 0,05%.

[035] O revestimento de primeira camada tem, de preferência, uma espessura na faixa de 100 a 300 μm. O revestimento de segunda camada tem, de preferência, uma espessura na faixa de 200 a 3.000 μm, preferencialmente pelo menos mais que 200 μm e da máxima preferência de 300 a 1.500 μm.

[036] A espessura do revestimento de segunda camada que é exposto ao ambiente será determinada com base na taxa de auto corrosão do componente ou substrato e a espessura mínima necessária pela extremidade da vida útil do componente. Com base nos resultados de atividades de pesquisa interna, uma espessura de 50 μm por 10 anos de serviço é um valor conservador para o exemplo de PLET discutido acima.

[037] O revestimento de segunda camada é distribuído essencialmente sobre toda a superfície do revestimento interno.

[038] Os revestimentos de primeira camada e de segunda camada são, de preferência, distribuídos essencialmente sobre a área total do componente ou substrato que é exposto a um ambiente corrosivo, ou à máxima extensão praticamente possível.

[039] Em uma segunda realização, a presente invenção é um método de proteção catódica de um componente ou substrato metálico, sendo que o método compreende: • aplicar um revestimento de primeira camada metálica que é anódico ao componente ou substrato através de um primeiro método de deposição, • distribuir anodo de sacrifício sobre o revestimento de primeira camada aplicando-se um revestimento de segunda camada metálica que tem potencial de circuito aberto igual ao revestimento de primeira camada metálica ou que anódico ao revestimento de primeira camada através de um segundo método de deposição.

[040] O primeiro e o segundo métodos de deposição que são escolhidos a partir de métodos de deposição como galvanização de imersão a quente, colaminação, coextrusão e ligação de explosão, bem como qualquer método de deposição denominado pulverização de metal incluindo, mas não se limitando a uma dentre pulverização de detonação, pulverização de chama, pulverização de combustível líquido de alta velocidade, pulverização de combustível e ar de alta velocidade, pulverização de combustível e oxigênio de alta velocidade, pulverização de plasma, pulverização de arco e pulverização a frio, sendo que o primeiro e o segundo métodos de deposição são os mesmos ou diferentes entre si.

[041] Realizações do método compreende deposição de alumínio metálico essencialmente puro ou liga de alumínio a uma espessura de 100 a 300 μm para formar o revestimento de primeira camada do componente ou substrato.

[042] Realizações do método compreende ainda deposição de liga de alumínio metálico que tem potencial de circuito aberto igual ao revestimento de primeira camada metálica ou é anódica ao revestimento de primeira camada metálica para formar um revestimento de segunda camada que tem uma espessura na faixa de 200 a 3.000 μm, de preferência, pelo menos mais que 200 μm e da máxima preferência de 300 a 1.500 μm.

[043] Na realização preferencial, o método compreende alimentar um processo de deposição de metal para deposição de um revestimento de anodo de sacrifício com uma composição metálica que compreende alumínio, zinco e índio no revestimento de primeira camada.

[044] Em uma terceira realização, a presente invenção é um componente projetado para uso submarino produzido a partir de metal ferroso ou não ferroso, em que em estado submerso o componente é pelo menos parcialmente exposto a água do mar. Pelo menos na superfície exposta do mesmo, o componente é aplicado • um revestimento de primeira camada que consiste em liga de alumínio ou de alumínio essencialmente puro do revestimento de primeira camada protegido contra a água do mar por • um revestimento de segunda camada em contato com a água do mar, sendo que o revestimento de segunda camada contém liga de alumínio que é anódica ao alumínio e ao componente.

[045] O componente pode ser projetado para transporte de fluido de hidrocarboneto através de um lúmen ou passagem através de um corpo produzido a partir de metal ferroso ou não ferroso.

[046] O componente pode ser coberto por um revestimento de anodo de sacrifício que contém uma liga de alumínio-zinco-índio (Al-Zn-In).

[047] De acordo com o mencionado acima, o anodo de sacrifício que cobre o componente tem uma espessura na faixa de 200 a 3.000 μm, de preferência, pelo menos mais que 200 μm e da máxima preferência de 300 a 1.500 μm. O revestimento de primeira camada tem, de preferência, uma espessura de 100 a 300 μm.

[048] Sem exclusão de outros não mencionados, o componente pode ser realizado pelo menos como dentre os seguintes componentes submarinos: • árvores • preventores de queima • ferramentas • tubulações • linhas de fluxo • tubos de ponte • canos de tubo de distribuição • conectores e conexões • embarcações de pressão • alojamentos e cascos • partes de compressor ou bombas • válvulas • medidores de fluxo • sensores • módulos de sistema de controle • umbilicais e conjuntos de terminação associados • riseres e bases de riser • âncoras de sucção e esteiras de lama • estruturas de sustentação e conexões para os mesmos.

[049] A invenção pode ser aplicada a componentes usados para equipamento relacionado a óleo ou gás, mas também, por exemplo, a moinhos de vento, instalações de piscicultura, qualquer estrutura de cabo ou tubulação, pelo menos parcialmente submersa na água do mar, navios e embarcações etc.

[050] De acordo com as especificações do sistema de proteção catódica e do método descritos acima, o componente é coberto por uma massa de anodo de sacrifício distribuída que contém uma liga de alumínio-zinco-índio, ou outra liga de alumínio com propriedades eletroquímicas correspondentes.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[051] A invenção será explicada adicionalmente abaixo com relação aos desenhos esquemáticos anexos. Nos desenhos: a Figura 1 ilustra a demanda de anodo para aço carbono não revestido e revestido, a Figura 2 é uma seção esquemática através de uma porção de recorte do sistema de sacrifício de proteção catódica aplicado a um substrato de metal, e a Figura 3 é uma vista em seção transversal através de um componente destinado a transporte submarino de fluido de hidrocarboneto. as Figuras 4a e 4b são diagramas que mostram um revestimento do estado da técnica e o novo revestimento respectivamente, em comparação à proteção de anodo, em termos de densidade de corrente de proteção como uma função de tempo de exposição na água do mar, e as Figuras 5a e 5b são fotos de amostras de um revestimento do estado da técnica e o novo revestimento respectivamente, sujeitos ao teste eletroquímico sob exposição a água do mar.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[052] O uso de revestimentos protetores não é exclusivamente aplicável a estruturas submarinas, mas geralmente se aplica também a tubulações enterradas ou em proteção contra a exposição atmosférica.

[053] Também deve ser notado que, se não indicado de outra forma, qualquer declaração sobre a porcentagem de constituintes dada nesse documento se refere à porcentagem por peso.

[054] Na proteção catódica submarina CP, códigos como o DNV- RP-B401 estabelecem fatores de degradação de revestimento para levar em conta o processo normal de envelhecimento de diferentes sistemas de revestimento. Embora os fatores iniciais de quebra de revestimento sejam tipicamente pequenos, se aproximam do valor 1 até o final da vida útil da subestrutura.

[055] No projeto de CP submarino, toda a área de superfície do componente deve ser contabilizada nos cálculos de CP, porque é catódica para os anodos convencionais. Por outro lado, as áreas de superfície da estrutura que têm um potencial de circuito aberto idêntico ao dos anodos de sacrifício convencionais não serão incluídas nos cálculos de CP.

[056] A Figura 1 ilustra um exemplo com base em um cálculo típico de DNV-RP-B401. Nesse exemplo, a um componente de 1 m2 deve ser fornecido proteção catódica. Conforme mostrado na Figura 1, um anodo de sacrifício tem que fornecer uma corrente de 150 mA para proteger o aço carbono não revestido (CS). A aplicação de um revestimento protetor não condutivo, como tinta, reduz a demanda média de corrente para 33 mA para a mesma área de CS pintada. O alumínio termicamente pulverizado (TSA) pode reduzir ainda mais a demanda corrente para 10 mA na mesma área. Conforme será explicado abaixo, o anodo de sacrifício distribuído (DSA) da presente invenção eliminará a demanda de corrente de anodos convencionais para áreas de superfície que foram convertidas em áreas DSA.

[057] Na Figura 2, o número de referência 1 se refere ao material a granel de um objeto metálico que forma um substrato a ser protegido por um sistema de proteção catódica, sendo que o sistema compreende um revestimento de primeira camada 2 que é aplicado à superfície do substrato 1 e um revestimento de segunda camada 3 aplicado no topo do revestimento de primeira camada 2.

[058] O substrato 1 pode ser um objeto de qualquer metal ferroso ou não ferroso que precise de proteção contra um ambiente corrosivo, como solo molhado, água e ar úmido, ou um objeto que deve ser coberto para reduzir o consumo total de anodo de um sistema CP. Em aplicações submarinas, o substrato seria tipicamente um componente envolvido na produção submarina e/ou transporte de óleo, gás ou água, como uma tubulação, uma estrutura de cano de tubo de distribuição, uma bomba ou parte de compressor etc., que tipicamente tem um lúmen ou passagem 4 para o transporte de fluido através de um corpo de metal 1. O substrato 1 pode assim, na prática, assumir qualquer forma incluindo formatos planos, curvos e de dupla curvatura, e a superfície revestida do substrato pode estar situada no exterior ou no interior do substrato.

[059] O revestimento de primeira camada 2 pode compreender qualquer metal ou liga metálica que seja anódica ao substrato, seja eletricamente condutiva e possa formar uma ligação ao substrato. O revestimento de segunda camada 3 pode compreender qualquer metal ou liga de metal que tenha um potencial de circuito aberto igual ao revestimento de primeira camada metálica ou seja anódico ao revestimento de primeira camada e ao substrato, é eletricamente condutivo e que pode formar uma ligação mecânica para o revestimento de primeira camada. Em todos os casos, os metais ou ligas metálicas dos revestimentos de primeira e de segunda camada devem ser relacionados nas séries galvânicas, de modo que o revestimento de segunda camada 3 forme um anodo de sacrifício para o revestimento de primeira camada 2 ou o substrato, e o primeiro revestimento de camada nunca deve ser anódico ao revestimento de segunda camada.

[060] Em realizações preferenciais, o revestimento de primeira camada 2 contém liga de alumínio essencialmente puro ou de alumínio metálico. Liga de alumínio ou de alumínio puro é preferencial, nesse caso, para reduzir a demanda de anodo quando em comparação à demanda de anodo necessária para proteger o substrato. A pureza do revestimento de primeira camada pode estar na faixa de 85 a 100% de Al. O revestimento de primeira camada pode alternativamente ser uma liga de alumínio. Em realizações preferenciais, o revestimento de primeira camada 2 contém 99,5% de Al, ou uma liga de Al que contém 5% de magnésio (Al5Mg).

[061] A liga de alumínio anódica ao alumínio puro e ao substrato é preferida conforme o revestimento de segunda camada 3. Uma composição mais preferida no revestimento de segunda camada 3 é uma liga de alumínio- zinco-índio (Al-Zn-In), embora outras composições de alumínio que proporcionem propriedades eletroquímicas correspondentes possam constituir uma alternativa. Outras substâncias que podem ser combinadas com alumínio ao lado de zinco e índio no revestimento de segunda camada de sacrifício 3 são, por exemplo, cádmio (Cd), silício (Si), estanho (Sn), manganês (Mn) e titânio (Ti).

[062] Em uma liga de Al-Zn-In preferida, o zinco pode constituir cerca de 2 a 7% da composição, o índio pode atingir cerca de 0,01 a 0,05%, enquanto o alumínio constitui o equilíbrio. Conforme será entendido a partir do mencionado acima, a composição do revestimento de segunda camada 3 pode ser semelhante à dos anodos de alumínio de sacrifício convencionais usados para proteger componentes submarinos.

[063] A aplicação dos revestimentos de primeira e de segunda camada ao substrato pode incluir qualquer processo de aplicação adequado, como colaminação, coextrusão e ligação de explosão, por exemplo, onde quer que isso seja permitido em relação ao projeto do substrato, como em conexão com placas planas, canos e hastes de raio contínuo. Para formatos mais complicados, a pulverização de metal é o método preferido para a deposição tanto do revestimento de primeira camada 2 como do revestimento de segunda camada 3.

[064] A pulverização de metal é um nome genérico para vários processos nos quais o metal puro ou ligado é derretido em uma chama ou arco e pulverizado em um substrato por meio de ar comprimido ou gases de explosão. Gotículas de metal do tamanho de um micrômetro são criadas e projetadas em direção à superfície do substrato. Repetindo o processo, as gotículas se acumulam sucessivamente para formar um revestimento.

[065] Sob o conceito geral de pulverização de metal podem ser distinguidas várias variações que são adequadas para a deposição dos revestimentos de primeira e de segunda camada 2 e 3, como pulverização de plasma, pulverização de detonação, pulverização de arco de arame, pulverização de chama, pulverização de oxicombustível de alta velocidade, pulverização morna ou pulverização a quente, pulverização a frio, por exemplo.

[066] Uma característica chave na presente invenção é a provisão de um revestimento de anodo de sacrifício 3 que é distribuído essencialmente sobre toda a área do substrato/componente que é exposto a um ambiente corrosivo. A espessura do revestimento de segunda camada 3 é determinada pela taxa de auto corrosão ao longo da vida útil do componente, enquanto a espessura total é uma função da demanda de corrente estimada para proteger qualquer área defeituosa (ou áreas defeituosas) no revestimento de segunda camada.

[067] Assume-se que a composição do anodo Al-Zn-In no revestimento de segunda camada 3 da realização preferencial é favorecida por uma corrosão uniforme que afeta e reduz a necessidade de espessura de camada. Uma espessura de camada na faixa de 300 a 1.500 μm é preferida e também está dentro da capacidade dos métodos de pulverização de metal. A faixa preferida também cobrirá a maioria das aplicações em termos de vida útil e condições operacionais. No entanto, está dentro do escopo da invenção aumentar a espessura de camada do revestimento de segunda camada 3 até cerca de 3.000 μm, se necessário, ao passo que acima dessa faixa, o benefício da redução de peso em comparação com o encaixe dos anodos convencionais será menos óbvio. Em qualquer caso, a espessura do revestimento da segunda camada 3 não deve ser menor que 200 μm.

[068] Conforma já foi afirmado em outras partes da invenção, a espessura do revestimento interno 2 está, de preferência, dentro de 100 a 300 μm.

[069] Da especificação anterior do sistema de proteção catódica é observado que o revestimento de segunda camada 3 constitui uma massa de anodo de sacrifício que é distribuída sobre o substrato e o componente protegido, e que está em contato direto com o ambiente que circunda o componente. O material predominante nos revestimentos tanto de primeira quanto de segunda camada é o alumínio metálico, que fornece condutividade elétrica e boas propriedades de ligação entre os próprios revestimentos e para um substrato de metal ferroso e de metal não ferroso também.

[070] O anodo de sacrifício distribuído do revestimento de segunda camada também pode ser usado em combinação com anodos de sacrifício convencionais, no caso, áreas maiores tem que ser tradicionalmente revestidas, por exemplo, através de sistemas de pintura ou outros revestimentos não condutivos. Em todos os casos, a invenção, como reivindicada, proporciona uma redução substancial da massa e peso de anodo, sempre que aplicada a uma estrutura que é sujeita a um ambiente corrosivo.

[071] As Figuras 4a e 4b mostram que a liga de Al2,5Zn0,02In termicamente pulverizada (DSA) revestida em aço carbono difere da liga Al5Mg pulverizada termicamente (TSA regular) revestida em aço carbono em termos de desempenho eletroquímico na água do mar. Nesse exemplo, a eficácia de DSA vs a de TSA é ilustrada pela densidade de corrente de proteção vs tempo. A DSA revestida em aço carbono revela um comportamento semelhante ou idêntico ao anodo tradicional Al-Zn-In fundido acoplado ao aço carbono em termos de densidade de corrente de proteção vs tempo, enquanto a TSA revestido em aço carbono revela um comportamento diferente do da DSA e anodo Al-Zn-In fundido acoplado ao aço carbono.

[072] Conclusivamente, as Figuras 4a e 4b mostram que a liga de Al2,5Zn0,02In termicamente pulverizada (DSA) revestida em aço carbono difere da liga Al5Mg pulverizada termicamente (TSA regular) revestida em aço carbono em termos de desempenho eletroquímico na água do mar, nesse exemplo ilustrado pela densidade de corrente de proteção.

[073] Para os experimentos, amostras de DSA projetada foram preparadas pela primeira aplicação de liga Al-Zn-In em painéis de aço carbono por pulverização térmica, então, as amostras foram cortadas e finalmente preparadas para teste eletroquímico, vedando-se efetivamente todas as superfícies de aço carbono da amostra, o que deixa a DSA como a única parte metálica das amostras que são expostas à água do mar. As amostras de TSA projetadas foram preparadas para teste eletroquímico exatamente da mesma maneira que para a DSA, exceto pelo uso da liga Al5Mg no processo de pulverização térmica. Amostras designadas CS foram preparadas a partir de placas de aço carbono não revestidas que foram cortadas para o tamanho e vedadas como requerido para atingir as razões de área de superfície desejadas dos vários pares.

[074] Nas experiências eletroquímicas realizadas em água do mar natural fresca e circulante, as amostras de DSA foram então acopladas a amostras de CS em duas razões diferentes; DSA:CS 100:1 (cinza) e DSA:CS 10:1 (azul), que simulam diferentes tamanhos de defeito (consulte a Figura 4a).

[075] Da mesma forma, amostras de TSA foram acopladas a amostras de CS em duas razões diferentes; TSA:CS 100:1 (cinza) e TSA:CS 10:1 (azul). Para uso como referência, as amostras de anodo cortadas diretamente de um anodo de Al-Zn fundido foram acopladas a CS em uma razão de anodo:CS 10:1 (vermelho), consulte a Figura 4b.

[076] As densidades atuais de proteção resultantes (mA/m2) são plotadas em função do tempo (dias) nas Figuras 4a e 4b revelam que (i) o DSA difere do TSA e (ii) o DSA é semelhante ou idêntico ao anodo fundido convencional do Al-Zn-In.

[077] As Figuras 5a e 5b mostram que, após o teste eletroquímico, o aço carbono acoplado à liga Al2,5Zn0,02In (DSA) pulverizada termicamente difere do aço carbono acoplado à liga Al5Mg pulverizada termicamente (TSA regular) em termos tanto de quantidade de depósitos calcários quanto do nível de corrosão na superfície de aço carbono exposta. Amostras de aço carbono, quando acopladas à liga de Al2,5Zn0,02In termicamente pulverizada (DSA) e expostas à água do mar, mostram uma acumulação significativa de depósitos calcários e nenhum sinal de corrosão. Em contraste, quando acoplados à liga de Al5Mg (TSA) termicamente pulverizada e expostos à água do mar, as amostras de aço carbono mostram que a corrosão de aço carbono ocorreu.

[078] Desse modo, a Figura 5a ilustra que após o teste eletroquímico realizado conforme descrito acima, quando acoplado à liga de Al2,5Zn0,02In termicamente pulverizada (DSA) e exposto à água do mar por 30 dias, as amostras de aço carbono (CS) não mostram sinais de corrosão (mas uma notável acumulação de depósitos calcários). Em contraste, a Figura 5b ilustra que quando acopladas à liga de Al5Mg pulverizada termicamente (TSA) e expostas à água do mar por 30 dias, as amostras de aço carbono mostram corrosão do aço carbono. As razões de área das amostras nas fotografias são DSA:CS 10:1 e TSA:CS 10:1.

[079] Embora ilustrado a título de exemplo, um técnico no assunto compreenderá que os efeitos e benefícios técnicos do sistema de proteção catódica da presente invenção são alcançáveis dentro de faixas, pelo que a modificação da invenção dentro da linguagem e formulação das reivindicações é possível, e que qualquer modificação, mesmo que não esteja literalmente cumprindo a linguagem de reivindicação, é coberta pelo escopo de proteção conforme definido e fornecido pelas reivindicações.

Claims

1. SISTEMA DE PROTEÇÃO CATÓDICA PARA UM COMPONENTE OU SUBSTRATO DE METAL (1) compreendendo: um componente ou substrato de metal (1) para ser exposto a um ambiente corrosivo como água do mar; um revestimento de primeira camada metálica (2) que é anódico ao componente ou substrato (1), ligado ao componente ou substrato (1) e eletricamente condutivo, a primeira camada metálica (2) contendo uma liga de alumínio ou alumínio metálico essencialmente puro; um anodo de sacrifício na forma de um revestimento de segunda camada metálica (3) distribuído sobre o revestimento de primeira camada (2), o revestimento de segunda camada (3) que tem um potencial de circuito aberto que é igual ao revestimento de primeira camada (2) ou que é anódico ao revestimento de primeira camada (2), o revestimento de segunda camada (3) que é eletricamente condutivo, ligado ao revestimento de primeira camada (2); caracterizado pelo revestimento de segunda camada (3) ser uma liga de alumínio-zinco-índio (Al-Zn-In), em que o revestimento de segunda camada (3) é distribuído sobre toda a superfície do revestimento de primeira camada (2); em que o revestimento de segunda camada (3) tem uma espessura na faixa de 200 a 3.000 μm.

2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo revestimento de segunda camada (3) ser uma liga de Al que compreende Zn na faixa de 2 a 7% e In na faixa de 0,01 a 0,05%.

3. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo revestimento de primeira camada (2) ter uma espessura na faixa de 100 a 300 μm.

4. MÉTODO DE PROTEÇÃO CATÓDICA DE UM COMPONENTE OU SUBSTRATO DE METAL (1), o método compreendendo as etapas de: aplicar um revestimento de primeira camada metálica (2) que é anódico ao substrato (1) através de um primeiro método de deposição, distribuir um anodo de sacrifício (3) sobre o revestimento de primeira camada (2) aplicando-se um revestimento de segunda camada metálica (3) que tem um potencial de circuito aberto igual ao revestimento de primeira camada metálica ou é anódico ao revestimento de primeira camada (2) através de um segundo método de deposição; caracterizado por alimentar uma composição metálica que compreende alumínio, zinco e índio para um processo de deposição de metal para deposição de um revestimento de anodo de sacrifício (3) no revestimento de primeira camada (2), a segunda camada (3) tendo uma espessura na faixa de 200 a 3.000 μm.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo primeiro e o segundo métodos de deposição serem escolhidos a partir de métodos de deposição como galvanização de imersão a quente, colaminação, coextrusão, ligação de explosão, bem como qualquer método de deposição denominado pulverização de metal incluindo, mas não se limitando a uma dentre pulverização de detonação, pulverização de chama, pulverização de combustível líquido de alta velocidade, pulverização de combustível e ar de alta velocidade, pulverização de combustível e oxigênio de alta velocidade, pulverização de plasma, pulverização de arco e pulverização a frio, sendo que o primeiro e o segundo métodos de deposição são os mesmos ou diferentes entre si.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 5, caracterizado por compreender deposição de alumínio metálico puro ou liga de alumínio a uma espessura de 100 a 300 μm para formar o revestimento de primeira camada (2) do componente ou substrato.

7. COMPONENTE PROJETADO PARA USO SUBMARINO produzido a partir de metal ferroso ou não ferroso, em que em estado submerso o componente é pelo menos parcialmente exposto a água do mar, caracterizado por compreender o sistema, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 3.

8. COMPONENTE, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo componente ter um lúmen ou passagem (4) através de um corpo (1) produzido a partir de metal ferroso ou não ferroso.