陰極防食

受動的な陰極防食では、より電気化学的に「活性」な金属（より負の電極電位）であるガルバニック陽極を、電解質に曝される脆弱な金属表面に取り付けます。ガルバニック陽極は、対象構造物（通常は鋼）の金属よりも「活性」な電圧を持つため選択されます。

コンクリートのpHは約13です。この環境では、鉄筋は不動態保護層を形成し、ほぼ安定した状態を保ちます。ガルバニックシステムは「定電位」システムであり、高い初期電流を流して不動態化を回復させることで、コンクリート本来の保護環境を回復させることを目的としています。その後、より低い犠牲電流に切り替わり、有害な負の塩化物イオンは鉄筋から離れて正の陽極へと移動します。陽極は耐用年数（通常10～20年）を通して反応性を維持し、降雨、温度上昇、洪水などの腐食要因によって抵抗率が低下すると電流が増加します。これらの陽極の反応性の高さが、効率的な選択肢となる理由です。

強制電流陰極防食（ICCP）システムとは異なり、鋼の一定の分極は目的ではなく、環境の回​​復が目的です。対象構造の分極は陽極から陰極への電子の流れによって引き起こされるため、2つの金属は良好な電気伝導接触を持つ必要があります。陰極防食電流の駆動力は、陽極と陰極間の電極電位の差です。^{[ 9 ]}高電流の初期段階では、鋼表面の電位がより負に分極（押し上げ）され、鋼表面での水酸化物イオンの生成とイオン移動によって鋼が保護され、コンクリート環境が回復します。

時間の経過とともに、ガルバニック陽極は腐食を続け、陽極材料を消費していくため、最終的には交換が必要になります。

ガルバニック陽極または犠牲陽極は、亜鉛、マグネシウム、アルミニウムの合金を使用してさまざまな形状とサイズで製造されます。ASTM International は、ガルバニック陽極の組成と製造に関する規格を公表しています。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

ガルバニック陰極防食が機能するためには、陽極は陰極（保護対象構造）よりも低い（つまり、より負の）電極電位を持つ必要があります。下の表は、陽極金属を選択するために使用される簡略化されたガルバニック系列を示しています。 ^{[ 13 ]} 陽極は、保護対象材料よりもリストの下位にある材料から選択する必要があります。

場合によっては、強制電流陰極防食（ICCP）システムが使用されます。これらは、直流電源（多くの場合、交流電源に接続された変圧器整流器）に接続された陽極で構成されています。交流電源がない場合は、太陽光パネル、風力発電、ガス式熱電発電機などの代替電源が使用されることがあります。^{[ 14 ] [ 15 ]}

ICCPシステム用陽極は、さまざまな形状とサイズで入手可能です。一般的な陽極は、管状、棒状、またはさまざまな材料で作られた連続リボン状です。これらには、高ケイ素、鋳鉄、黒鉛、混合金属酸化物（MMO）、白金およびニオブ被覆線などの材料が含まれます。

パイプラインの場合、陽極は、電流分布要件を含むいくつかの設計および現場条件要因に応じて、分散配置または深い垂直孔内に接地床に配置されます。

陰極防食変圧器整流器ユニットは、多くの場合、遠隔監視および制御、内蔵電流遮断器、各種電気筐体など、さまざまな機能を備えて特注製造されます。出力DC負端子は、陰極防食システムによって保護される構造物に接続されます。^{[ 16 ]}整流器出力DC正ケーブルは陽極に接続されます。AC電源ケーブルは整流器入力端子に接続されます。

ICCP システムの出力は、対象構造物を保護するのに十分な電流を供給するように最適化する必要があります。一部の陰極防食トランス整流器ユニットは、 ICCP システムの電圧出力を選択するために、トランス巻線にタップとジャンパー端子を備えて設計されています。水槽用およびその他の用途で使用される陰極防食トランス整流器ユニットは、最適な電流出力または構造物と電解質間の電位を維持するために動作電圧を自動的に調整するソリッドステート回路で作られています。^{[ 17 ]}動作電圧 (DC および場合によっては AC) と電流出力を表示するために、アナログまたはデジタルメーターが設置されることがよくあります。海岸構造物やその他の大規模で複雑な対象構造物の場合、ICCP システムは、個別の陰極防食トランス整流器回路を備えた複数の独立した陽極ゾーンで設計されることがよくあります。

ハイブリッドシステムは、前述のシステムを組み合わせることで、両方のシステムの利点の一部を実現します。ICCPシステムの修復能力を活用しつつ、ガルバニック陽極の反応性、低コスト、メンテナンスの容易さといった特性を維持します。

このシステムは、通常400ミリメートル（16インチ）間隔で配置された配線されたガルバニック陽極のアレイで構成されており、コンクリートを修復しイオン移動を促進するために、最初に短時間通電されます。その後、電源が切断され、陽極はガルバニックシステムとして鋼材に取り付けられます。必要に応じて、さらに通電フェーズを実行できます。ガルバニックシステムと同様に、分極試験と半電池電位マッピングによる腐食速度モニタリングを使用して腐食を測定できます。分極はシステムの寿命の目的ではありません。^{[ 18 ]} 

この技術は給湯器の保護にも使用されています。印加電流アノード（チタン製でMMOで覆われている）から送られる電子がタンク内部の錆を防ぎます。^{[ 19 ]}

有効であると認められるためには、これらの陽極は特定の基準に準拠する必要があります。陰極防食システムは、その電位が陰極防食基準で定められた限界に達するか、それを超える場合に効率的であるとみなされます。使用されている陰極防食基準は、NACE（米国腐食技術者協会）の規格NACE SP0388-2007（旧RP0388-2001）に基づいています。^{[ 20 ]}

危険物輸送パイプラインは、通常、コーティングに加えて陰極防食によって保護されています。パイプライン用の強制電流式陰極防食システム（ICCP）は、直流電源（多くの場合、交流電源トランス整流器）と、地中に埋設された陽極、または陽極アレイ（陽極接地床）で構成されます。

DC電源は通常、最大50アンペア、50ボルトのDC出力を持ちますが、これはパイプラインのサイズやコーティングの品質など、いくつかの要因に依存します。正のDC出力端子はケーブルを介して陽極アレイに接続され、別のケーブルで整流器の負の端子がパイプラインに接続されます。測定ができるように、できればジャンクションボックスを介して接続します。^{[ 21 ]}

陽極は、導電性コークス（陽極の性能と寿命を向上させる材料）で埋め戻された垂直の穴からなる接地床に設置するか、準備された溝に設置し、導電性コークスで囲んで埋め戻すことができます。接地床の種類とサイズの選択は、用途、場所、土壌抵抗率によって異なります。^{[ 22 ]}

その後、配管と土壌間の電位差や電極電位の測定など、さまざまな試験を実施した後、直流陰極防食電流を最適なレベルに調整します。

システムの設計時、および設置後定期的に、技術者は基準値測定キャンペーンを実施します。このキャンペーンでは、対象エリア内の既存のアクティブ保護システムをすべて（または可能な限り多く）停止し、パイプと電極間の自然な電位を記録します。この測定結果から、パイプラインをどのように電気系統に分割できるか、必要な陽極と整流器の数、およびそれらをどこに配置すべきかといった情報が得られます。

ガルバニック（犠牲）陽極を使用してパイプラインを保護する方が経済的に有利な場合がある。これは、長さが限られている小径パイプラインの場合によく見られる。^{[ 23 ]} ガルバニック陽極は、金属のガルバニック系列電位を利用して、陽極から保護対象の構造物へ陰極防食電流を流す。

様々な材質の水道管にも、所有者が陰極防食の適用によって期待される管路の耐用年数延長に対して費用が妥当であると判断した場合、陰極防食が施される。

船舶の陰極防食は、船体に取り付けられたガルバニック陽極と、大型船舶の場合はICCPによって実施されることが多い。船舶は検査やメンテナンスのために定期的に水から引き上げられるため、ガルバニック陽極の交換は簡単な作業である。^{[ 24 ]}

ガルバニック陽極は一般的に水中での抵抗を減らすように形状が作られ、抵抗を最小限に抑えるために船体にぴったりと取り付けられます。^{[ 25 ]}

ヨットなどの非金属製船体を持つ小型船舶には、船外機などの保護のためにガルバニック陽極が装備されています。すべてのガルバニック陰極防食と同様に、この方式も陽極と保護対象物との間の確実な電気的接続に依存します。

船舶の ICCP では、陽極は通常、白金メッキチタンなどの比較的不活性な材料で作られています。DC 電源は船内にあり、陽極は船体の外側に取り付けられています。陽極ケーブルは圧縮シール継手を介して船内に導入され、DC 電源に配線されます。電源からのマイナスケーブルは、回路を完成させるために船体に取り付けられます。船舶の ICCP 陽極は、船への抵抗の影響を最小限に抑えるために埋め込み式で、機械的損傷を避ける領域で、軽荷線^{[ 26 ]} より最低 5フィート下に配置されます。保護に必要な電流密度は速度の関数であり、電流容量と船体上の陽極配置位置を選択する際に考慮されます。

船によっては、特殊な処理が必要になる場合があります。例えば、アルミニウム製の船体に鋼製の固定具を取り付けると、電気化学セルが形成され、アルミニウム製の船体がガルバニック陽極として機能し、腐食が促進されます。このような場合、アルミニウムまたは亜鉛のガルバニック陽極を使用して、アルミニウム製の船体と鋼製の固定具との間の電位差を相殺することができます。^{[ 27 ]}鋼製の固定具が大きい場合は、複数のガルバニック陽極、あるいは小型のICCPシステムが必要になる場合もあります。

海洋陰極防食は、桟橋、港湾、沖合構造物など、多くの領域を対象としています。構造物の種類が多岐にわたるため、さまざまな防食システムが必要となります。ガルバニック陽極が好まれますが、^{[ 28 ]} ICCPもよく使用されます。構造物の形状、構成、建築様式が非常に多様であるため、構造物固有の陰極防食システムを設計するには、専門の企業が必要となることがよくあります。海洋構造物を効果的に防食するには、後付けの改修が必要になる場合もあります^{[ 29 ] 。}

コンクリート補強への適用は、陽極と参照電極が通常、コンクリート打設時の建設時にコンクリートに埋め込まれるという点で若干異なります。コンクリート建築物、橋梁、および同様の構造物に対する一般的な技術は ICCP を使用することですが^{[ 30 ]}、ガルバニック陰極防食の原理を使用するシステムも利用可能です^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]。}ただし、少なくとも英国では、大気にさらされる鉄筋コンクリート構造物へのガルバニック陽極の使用は実験的であると考えられています^{[ 34 ] 。}

ICCP の場合、原理は他の ICCP システムと同じです。ただし、橋梁などの一般的な大気暴露コンクリート構造物では、パイプラインで使用されるアノードのアレイとは異なり、構造物全体に多数のアノードが配置されます。これにより、システムはより複雑になり、通常は自動制御の DC 電源が使用され、場合によっては遠隔監視および操作のオプションが付きます。^{[ 35 ]}埋設または水没構造物の場合、処理は他の埋設または水没構造物と同様です。

ガルバニックシステムは、後付けが容易であるという利点があり、ICCPのように制御システムを必要としません。

プレストレストコンクリートシリンダーパイプ（PCCP）で構築されたパイプラインの場合、カソード防食に使用される技術は、プレストレスワイヤの損傷を防ぐために印加電位を制限する必要がある点を除いて、一般的に鋼管の場合と同じです。^{[ 36 ]}

PCCPパイプライン内の鋼線は、鋼線の腐食が破損につながるほどの応力がかかっています。さらに、過度に負の電位の結果として過剰な水素イオンが発生すると、鋼線の水素脆化を引き起こし、これも破損につながるという問題があります。あまりにも多くの鋼線が破損すると、PCCPが壊滅的な破損に陥ります。^{[ 37 ]}したがって、ICCPを実施するには、十分な保護を確保するために非常に慎重な制御が必要です。より簡単な選択肢は、自己制限的で制御を必要としないガルバニック陽極を使用することです。^{[ 38 ]}

液体を貯蔵または輸送するために使用される容器、パイプライン、タンク（バラストタンクを含む）は、陰極防食を使用することで、内部表面の腐食から保護することもできます。 ^{[ 39 ] [ 40 ]} ICCPおよびガルバニックシステムを使用できます。^{[ 41 ]}内部陰極防食の一般的な用途は、貯水タンクと発電所のシェルアンドチューブ式熱交換器です。

亜鉛めっきとは一般的に溶融亜鉛めっきを指し、鋼を金属亜鉛または錫の層でコーティングする方法です。溶融亜鉛浴には鉛やアンチモンが添加されることが多く、^{[ 42 ]}他の金属も研究されています。^{[ 43 ]}亜鉛めっきは、コーティングのバリア特性と陰極防食の利点の一部を兼ね備えているため、ほとんどの環境で非常に耐久性があります。^{[ 44 ]}亜鉛めっきが傷ついたり、その他の局所的な損傷を受けて鋼が露出した場合、亜鉛めっきの周囲の領域は露出した鋼とガルバニックセルを形成し、腐食から鋼を保護します。^{[ 45 ]}これは局所的な陰極防食の一形態であり、亜鉛が犠牲陽極として機能します。^{[ 46 ]}

亜鉛めっきは、陰極防食の電気化学的原理を利用していますが、実際には陰極防食ではなく犠牲防食です。亜鉛めっきの場合、亜鉛のごく近傍の部分のみが保護されます。したがって、広い面積のむき出しの鋼材は、端部のみが保護されることになります。

複数の企業が自動車やトラックの腐食を軽減すると謳う電子機器を販売している。^{[ 47 ]}腐食制御の専門家は、それらが効果がないことを確認している。^{[ 48 ]} これらの機器の使用を裏付ける査読済みの科学的試験や検証は存在しない。1996年、FTCは自動車を腐食から守ると謳う機器を販売していたデビッド・マクレディに対し、賠償金の支払いを命じ、「ラストバスター」と「ラストエバダー」という名称の使用を禁止した。^{[ 49 ]}

カナダ競争法第74.01条(1)(b)に基づき、製品またはその有効性に関する性能主張は、適切かつ妥当な試験に基づいていることが証明されない限り行うことはできません。^{[ 50 ]}カナダ競争局は、カナダで電子腐食装置を販売している複数の企業を調査しました。一部の企業は、主張を科学的に裏付けることができなかったため、製品を市場から撤退せざるを得ませんでした。

不適切な陰極防食の副作用として、原子状水素が発生し、^{[ 53 ]}保護された金属に吸収されて、溶接部や高硬度材料の水素脆化を引き起こします。通常の状態では、原子状水素は金属表面で結合して水素ガスを生成しますが、水素ガスは金属内部に浸透しません。しかし、水素原子は結晶鋼構造を通過できるほど小さいため、場合によっては水素脆化を引き起こす可能性があります。

これは、保護対象物（陰極）の表面に水素イオンが形成されることにより、保護対象構造物（陰極）から保護コーティングが剥離するプロセスです。^{[ 54 ]}剥離は、アルカリイオンの増加と陰極分極の増加によって悪化する可能性があります。^{[ 55 ]}剥離の程度はコーティングの種類にも依存し、一部のコーティングは他のコーティングよりも影響を受けます。^{[ 56 ]}陰極防食システムは、構造物が過度に分極しないように運用する必要があります。^{[ 57 ]}なぜなら、過度に負の電位によって剥離も促進されるからです。高温流体を含むパイプラインでは、熱流によってプロセスが加速されるため、陰極剥離が急速に発生します。

鋼管の陰極防食 (CP) システムの有効性は、ポリエチレン テープ、収縮パイプライン スリーブ、工場で塗布された単層または多層の固体フィルム コーティングなどの固体フィルム裏打ち誘電体コーティングの使用によって損なわれる可能性があります。この現象は、これらのフィルム裏打ちの電気抵抗率が高いために発生します。^{[ 58 ]} 陰極防食システムからの保護電流は、抵抗率の高いフィルム裏打ちによって遮断または遮蔽され、下地の金属に到達できなくなります。陰極遮蔽は 1980 年代に初めて問題として定義され、それ以来、この主題に関する技術論文が定期的に発表されています。

1999年の報告書^{[ 59 ]}は、サスカチュワン州の原油パイプラインからの20,600バレル（3,280^立方メートル）の流出事故に関するもので、陰極遮蔽問題の優れた定義が含まれています。  

（腐食）コーティングの剥離、コーティングの誘電性、および電気的なCP電流に対する遮蔽物として機能する外装コーティングの下に形成される特異な電気化学的環境という三重の状況は、CP遮蔽と呼ばれます。剥離と被覆の剥離が組み合わさることで、パイプの外側の腐食環境が外装コーティングとパイプ表面の間の隙間に入り込むことが可能になります。このCP遮蔽現象が発生すると、CPシステムからの印加電流は外装コーティングの下の露出した金属に到達できず、パイプ表面を腐食性の高い環境の影響から保護できなくなります。CP遮蔽現象は、外装コーティング全体にわたるCPシステムの電位勾配の変化を引き起こし、パイプラインのCPシステムから発生するCP電流が不十分または基準値以下の領域では、この変化がさらに顕著になります。これにより、外部の腐食環境によって悪化する金属損失に対するCP防御が不十分な領域がパイプライン上に生じます。

陰極シールドについては、以下に挙げる多くの規格で言及されています。新たに発行された米国運輸省規則49 CFR 192.112の「代替最大許容運転圧力を使用する鋼管の追加設計要件」の項では、「パイプは非シールドコーティングによって外部腐食から保護されなければならない」（規格のコーティングの項を参照）と規定されています。また、NACE SP0169:2007規格では、第2項でシールドを定義し、第4.2.3項で電気シールドを生じる材料の使用を戒め、第5.1.2.3項で電気シールドを生じる外部コーティングの使用を戒め、第10.9項で運転中のパイプラインで陰極防食電流の電気シールドの影響が検出された場合には「適切な措置」を講じるよう指示しています。