Passivation and Reactivation of Aluminium Sacrificial Anodes
Abstract
Ein ny inspeksjonsmetode ved navn FIGS® har i dei seinare år blitt utvikla. Denne metoden nyttar seg av felt-gradient målingar og vurderar tilstanden på korrosjonsbeskyttelsesystemet til forskjellige undervasstrukturar og røyrledningar utan fysisk kontakt [5]. Denne teknologien har ført til funn av aluminiumsanodar som viser lite til ingen aktivitet, samt katodiske anodar. Basert på dette har det blitt presentert ein mogleg forklaring der potensialforskjell mellom anodar på same struktur kan føra til at anodar med lågt potensial vil polarisera andre anodar med høgare potensial katodisk, og dermed passivera dei. Denne forklaringa har blitt undersøkt i denne rapporten, der det er forsøkt å passivera aluminiumsanodar under kontrollerte former. Reaktivering har også blitt undersøkt.
Eit lengre potensiostatisk forsøk der aluminiumsanoder vart katodisk polarisert til ulike potensial har blitt gjennomført. Gjennom forsøket vart straumtettheita logga. Etter 27 og 120 dagar vart det gjennomført lineær polarisasjonsmotstand på prøvane til videre utrekning av korrosjonshastigheta. Ved slutten av eksperimentet vart det teke polarisasjonskurvar av prøvane. Eit utval av prøvar vart også undersøkt i eit elektronmikroskop, der målet var å avdekka kva oksid som var danna på overflata av prøvane. Kortare galvanostatiske forsøk med ulik varigheit vart også gjennomført, der polarisasjonskurvar av prøvane vart tatt opp til slutt i forsøket.
Straumtettheita avtok noko utover i det potentiostatiske langtidseksperimentet. Dette indikerer delvis passivering, men det er ikkje mogleg å konkludera basert på desse resultata aleine. Polarisasjonskurvene gav tydelege teikn på ein form for passivering, då straumtettheita ved et gitt potensial var redusert samanlikna med polarisasjonskurva til ueksponerte prøvar. Polarisasjonskurvane viste også ein typisk passiv-aktiv form med låg straumtettheit til eit bestemt aktiveringspotensial, der straumtettheita plutseleg auka. Serien som var utsett for størst katodisk polarisering viste høgast grad av passivering.
Korrosjonshastigheita varierte meir innad i seriane enn på tvers av seriane. Dette kan tyde på at korrosjonshastigheta ikkje er vesentleg påverka på katodisk polarisering, sjølv om prøvane sin evne til å levera katodisk straum opp til eit visst potensial er redusert. Korrosjonshastigheten var likevel tydelig redusert sammenlikna med ueksponerte prøvar.
Polarisasjonskurvane frå dei korte galvanostatiske eksperimenta viste også ein nedgang i straumtettheit ved eit gitt potensial samanlikna med polarisasjonskurvene til prøvar som ikkje var katodisk polarisert. Dette tyder på passivering. Resultata viste at grad av passivering var avhengig av varigheita på den galvanostatiske polariseringa.
Dei fleste av dei passiverte prøvane reaktiverte ein plass mellom -900 og -950 mVAg/AgCl , der dette reaktiveringspotensialet ikkje virka å være avhengig av grad av passivering. Dette tyder på at dersom ein anode brukt til katodisk beskyttelse blir passivert til ein viss grad, vil materialet reaktivera før stålstrukturen oppnår eit potensial som tillèt aktiv korrosjon. Materialet ser også ut til å verta permanent aktivert etter å ha vorte utsett for anodisk polarisering til reaktiveringspotensial eller høgare.
Resultat frå elektronmikroskopi viser at belegget som blir danna på overflata til prøvane hovudsakeleg består av oksygen og aluminium. Spor av kalkbelegg er også funne, der mengda ser ut til å auke ved aukande katodisk polarisering. A new non-contact inspection method called FIGS® has been developed in recent years. This technique is based on field gradient measurements and will assess the condition of the corrosion protection system of different subsea assets [5]. This new method of inspection has resulted in the discovery of aluminium anodes with low to no activity, in addition to cathodic behaving aluminium anodes. Based on this, it has been projected that a difference in operating potential between anodes on the same structure can cause low potential anodes to cathodically polarize anodes with higher potential, and thereby passivating them. This hypothesis has been tested in this report, where it has been attempted to passivate aluminium anodes in the lab, as well as investigating conditions for reactivation.
A long-term potentiostatic experiment where aluminium anode samples were polarized to different cathodic potentials was performed. The current density was logged throughout the experiment. After 27 and 120 days of exposure, linear polarization resistance was recorded and used for corrosion rate calculations. Polarization curves were recorded after the potentiostatic experiment was ended. A handful of samples were also further investigated in the scanning electron microscope, in order to investigate which oxides that might have been formed. Short-term galvanostatic experiments with different experiment durations were also performed, where polarization curves also were obtained after the galvanostatic polarization.
The cathodic current density measurements decreased slightly throughout the long-term potentiostatic experiment. This could indicate partial passivation, but it is difficult to know if passivation had occurred based solely on this. Polarization curves gave clear indications of some sort of passivation, as most of the samples had a decrease current density at a given potential compared to the polarization curve of non-exposed samples. The series that was subjected to the largest cathodic polarization indicated the highest degree of passivation.
Corrosion rate measurements showed that that the results from each series varied to a large degree, as well as variations between series and samples was small. This indicates that the corrosion rates were almost unaffected by cathodic polarization, even though the anodes ability to provide cathodic current up to a given potential was decreased. However, the corrosion rate of exposed samples decreased compared to the corrosion rate of non-exposed samples but did not seem to give any information on the degree of passivation.
The polarization curves carried out after the short-term experiments showed a decrease in current density at a given potential as well, compared to the polarization curve of non-exposed samples. This indicates passivation, where the degree of passivation seemed to increase with experiment duration.
Most of the passivated samples reactivated somewhere between -900 and -950 mVAg/AgCl, where this interval did not seem to be dependent on the degree of passivation. This indicates that if an anode used for cathodic protection is passivated to some degree, the anode will reactivate before the potential reaches a level where active corrosion is possible for steel structures. The material was permanently activated after being anodically polarized to the reactivation potential or higher.
Scanning electron microscope results showed that a layer was present on the sample surface, which mainly consisted of oxygen and aluminium. Traces of calcareous deposits were also found, and the greatest amount of deposits was found at samples subjected to the highest cathodic polarization. However, in general, the amount of calcareous deposits were very small, indicating that these findings have little influence on the electrochemical properties of the material.