Loading article…
ガルバニック陽極、または犠牲陽極は、埋設または水没した金属構造物を腐食から保護するために使用されるガルバニック陰極防食システムの主要構成要素です。
これらは、構造体を構成する金属よりも「活性」な電圧（より負の還元電位／より正の酸化電位）を持つ金属合金で作られています。2つの金属間の電位差により、ガルバニック陽極が腐食し、構造体を保護するために事実上「犠牲」となるのです。
簡単に言うと、腐食は電気化学的メカニズム（酸化還元反応）によって起こる化学反応です。[ 1 ]鉄や鋼の腐食中には、酸化（式1）と還元（式2 ）の2つの反応があります。酸化では電子が金属から離れ（金属が溶解し、金属が実際に失われます）、還元では電子が酸素と水を水酸化物イオンに変換するために使われます。[ 2 ]
ほとんどの環境では、水酸化物イオンと鉄イオンが結合して水酸化第一鉄を形成し、それが最終的に馴染みのある茶色の錆になります。[ 3 ]
腐食が進むにつれて、酸化還元反応が起こり、金属表面に電気化学セルが形成されるため、一部の領域は陽極（酸化）となり、一部の領域は陰極（還元）となる。金属が腐食するにつれて、電子は陽極領域から電解質へと流れる。逆に、電子が電解質から陰極領域へと流れると、腐食速度は低下する。[ 4 ]（電子の流れは電流の流れとは逆方向である。）
腐食はいくつかの形態で発生するが、最も単純な形態では次のように進行する。金属が腐食し続けると、金属表面の局所電位が変化し、陽極領域と陰極領域が変化して移動する。その結果、鉄系金属では、表面全体に錆の層が形成され、最終的には金属全体が腐食される。[ 5 ]
陰極防食（CP）による腐食防止は、より陽極的な表面を持つ別の金属（ガルバニック陽極）を導入することによって機能します。これにより、すべての電流が導入された陽極から流れ、保護される金属は陽極と比較して陰極になります。主金属表面での酸化反応は可能ですが、放出されるエネルギーが少なく、活性化エネルギーが多く、またはその両方が必要となるため、著しく不利になります。自由電子はガルバニック陽極を通る「容易な」経路を選択する可能性がはるかに高くなります。これにより、保護された構造表面での酸化は、時間の経過とともに犠牲となる陽極に移動することによって効果的に停止されます。[ 6 ]これは、マグネシウム、アルミニウム、または亜鉛金属の比較的低い安定性を利用します。これらの金属は、部分的に満たされたd軌道を介して強く結合している鉄と比較して結合が弱いため、鉄の代わりに溶解します。
この保護が機能するためには、陽極と保護対象の金属との間に電子経路（例えば、電線または直接接触）があり、酸化剤（例えば、酸素と水または湿った土壌）と陽極、および酸化剤と保護対象の金属との間にイオン経路が存在し、閉回路を形成する必要があります。したがって、亜鉛などの活性金属を、軟鋼などの活性の低い金属に空気中（イオン伝導性の低い金属）でボルトで固定するだけでは、保護効果は得られません。
ガルバニック陽極として使用される主な金属は、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛の3種類です。これらはすべて、ブロック、棒、板、または押出成形リボンとして入手可能です。それぞれの材料には長所と短所があります。
マグネシウムは3つの中で最も負の電位を持ち（ガルバニ系列を参照）、電解質（土壌または水）の抵抗率が高い領域に適しています。これは通常、陸上のパイプラインやその他の埋設構造物ですが、淡水での船舶や給湯器にも使用されます。場合によっては、マグネシウムの負の電位は不利になることがあります。保護された金属の電位が負になりすぎると、水または溶媒和プロトンの還元により、陰極表面に水素原子が発生する可能性があります。
水素脆化やコーティングの剥離につながる。 [ 7 ] [ 8 ]これが懸念される場合は、亜鉛陽極が使用されることがある。KA90と呼ばれるアルミニウム-亜鉛-スズ合金は、船舶や給湯器用途で一般的に使用されている。[ 9 ]
亜鉛とアルミニウムは一般的に海水で使用されます。海水では抵抗率が一般的に低く、マグネシウムは水素発生（自己腐食）を伴う水との反応により比較的速やかに溶解します。典型的な用途としては、船舶やボートの船体、海底パイプラインや生産プラットフォーム、海水冷却式船舶用エンジン、小型ボートのプロペラや舵、貯蔵タンクの内面などが挙げられます。
亜鉛は信頼性の高い材料と考えられていますが、高温での使用には適していません。これは、亜鉛が不動態化（形成された酸化層がそれ以上の酸化を防ぐ）する傾向があるためです。不動態化が起こると、電流が流れなくなり、陽極が機能しなくなる可能性があります。[ 10 ]亜鉛は駆動電圧が比較的低いため、抵抗率の高い土壌や水では十分な電流を供給できない場合があります。しかし、水素脆化のリスクがあるような状況では、過保護を回避できるため、この低い電圧が有利になる場合があります。[ 11 ]
アルミニウム陽極には、軽量であることや亜鉛よりもはるかに高い容量など、いくつかの利点があります。しかし、その電気化学的挙動は亜鉛ほど信頼性が高くないと考えられており、使用方法にはより注意を払う必要があります。塩化物濃度が1,446 ppm未満の場合、アルミニウム陽極は不動態化します。[ 12 ]
アルミニウムの欠点の1つは、錆びた表面に接触すると大きなテルミット火花が発生する可能性があるため、爆発性雰囲気があり陽極が落下する危険性があるタンクでの使用が制限されることです。[ 8 ]
ガルバニック陽極の動作は陽極と陰極間の電位差に依存するため、十分な電位差があれば、事実上どんな金属でも他の金属を保護するために使用できます。たとえば、鉄陽極は銅を保護するために使用できます。[ 13 ]
ガルバニック陽極CPシステムの設計においては、構造の種類、作動する電解質（土壌または水）の抵抗率、コーティングの種類、耐用年数など、多くの要素を考慮する必要があります。
主な計算は、必要な期間構造物を保護するために必要な陽極材料の量です。材料が少なすぎると、しばらくの間は保護できますが、定期的に交換する必要があります。材料が多すぎると、不必要なコストで保護できます。質量（kg）は式（5）で与えられます。[ 14 ]
必要な電流値は、土壌や水に接する金属の表面積に直接比例するため、コーティングを施すことで必要な陽極材の質量を大幅に削減できます。コーティングの質が高ければ高いほど、必要な陽極材の量は少なくなります。
必要な材料の質量がわかったら、特定の種類の陽極を選択します。形状が異なると、接地抵抗も異なり、それが生成できる電流の量に影響するため、十分な電流が得られるように陽極の抵抗を計算します。陽極の抵抗が高すぎる場合は、形状またはサイズの異なる陽極を選択するか、陽極の数を増やす必要があります。[ 14 ]
次に、構造物全体に電流が均等に流れるように陽極の配置を計画します。例えば、ある設計で10キロメートル（6.2マイル）のパイプラインに10個の陽極が必要だと分かった場合、1キロメートルあたり約1個の陽極を配置する方が、10個すべてを片方の端や中央に配置するよりも効果的です。
陽極材料は一般的に鉄よりも高価であるため、この方法で鉄系金属構造物を保護することは、必ずしも費用対効果が高いとは言えないかもしれません。しかし、腐食によって構造的完全性が損なわれた船体の修理や、鋼管やタンクの交換にかかる費用も考慮する必要があります。
しかし、ガルバニックシステムの費用対効果には限界がある。長距離パイプラインなどの大型構造物では、非常に多くの陽極が必要となるため、強制電流式陰極防食を設置する方が費用対効果が高い場合がある。
基本的な方法は、鋳造プロセスによって犠牲陽極を製造することである。ただし、鋳造方法には2種類ある。[ 15 ]
犠牲陽極の製造には、高圧ダイカスト法が広く用いられています。これは完全自動化された機械加工プロセスです。製造プロセスを信頼性高く、再現性のある方法で実行するためには、加工される犠牲陽極合金の改良が必要です。あるいは、重力鋳造法を用いて犠牲陽極を製造することもできます。このプロセスは手動または部分的に自動化されて行われます。合金は製造プロセスに合わせて調整する必要はなく、100%最適な腐食防止性能を発揮するように設計されています。
https://www.youtube.com/watch?v=kRh5r_7alf4