腐食は、ある種の金属が環境にさらされたときに起こる自然破壊現象です。 空気や水分と金属の基材との間で特定の化学反応が起こり、金属がより化学的に安定した酸化物、水酸化物、硫化物の形態に変化します。
電気化学的な腐食が起こるためには、陽極、陰極、電解質という3つの要素が必要です。 陽極と陰極は通常、連続した電気経路で接続され、両者は同じ電解液に浸されています。
Figure 1.典型的な電気化学セル。 典型的な電気化学セルで、電子が陽極から陰極に電気的接続を介して流れる様子を示しています。 (出典：Alksub at the English Wikipedia / CC BY-SA)
腐食を防止・抑制するためにはさまざまな方法があります。 その1つがカソードプロテクション（CP）と呼ばれるものです。 この技術は、保護されるべき金属を、より腐食しやすい「犠牲金属」に接続することで機能します。 この犠牲金属は優先的に腐食し（陽極として働く）、対象となるより価値のある金属（陰極として働く）は保護され続ける。
ガルバニックまたはバイメタル腐食の理解
カソードプロテクションの仕組みを理解するためには、まずガルバニック腐食として知られるバイメタル腐食の基本を理解する必要があります。 バイメタル腐食は、その名が示すように、2つの金属が対になって発生する独特の腐食である。 この腐食は、異種金属が直接または間接的に接触しているいくつかの状況で観察される。 バイメタルの腐食は、通常、一方の金属の腐食が加速され、他方の金属は影響を受けないという特徴がある。 言い換えれば、一方の金属が他方の金属を保護するために自らを犠牲にしているのである。
電気化学セルの腐食は、主に電位差と呼ばれる特性によって引き起こされます。 この電位差によって、電子はセル内の一方の金属（陽極）からもう一方の金属（陰極）に流れ、その過程で少量の電気が発生する。 電子が陽極から流出すると酸化が起こり、陽極の金属が劣化・腐食します。
二股腐食の場合、この電位差は2つの異種金属間の電極電位差に直接起因する。
バイメタルの腐食では、この電位差がそのまま異種金属間の電極電位差となる。 様々な金属の電極電位はガルバニックシリーズと呼ばれる一覧表で示される。 ガルバニックシリーズの紹介」参照。 ガルバニックシリーズ入門：ガルバニック相性と腐食」を参照)。 表の上位に位置する金属はアノード（より電気陰性）、下位に位置する金属はカソード（より電気陽性）であると考えられる。
カソードプロテクション（CP）とその動作方法
カソードプロテクションシステムの設計は高度なものになりますが、その動作は前述のバイメタルまたはガルバニック腐食の概念に基づいています。 この種の腐食の原理を理解することで、金属を意図的に組み合わせて、一方が他方を陰極的に保護するようにすることができます。 言い換えれば、特定の金属構造物を保護したい場合は、その金属が電気化学セルの陰極になるような状況を作り出すことができる。
場合によっては、外部電源を使用して電気化学プロセスに追加の電子を供給することで、カソード保護の効果を高めることができます。
カソード保護システムは、困難な環境や過酷な環境にあるさまざまな構造物を保護するために、多くの産業で採用されています。
カソード防食システムは、厳しい環境下にあるさまざまな構造物を保護するために多くの産業で採用されています。 海洋産業では、この保護方法は、スチールパイル、桟橋、桟橋、船体にも使用されている。 もう一つの一般的なカソードプロテクションは、亜鉛メッキとして知られており、鋼製の部材や構造物の保護によく用いられています。
Types of Cathodic Protection (CP)
前述のように、カソード防食は、意図的に別の犠牲金属とガルバニックセルを形成することで機能する。
パッシブ・カソード・プロテクション
パッシブ・カソード・プロテクション・システムでは、犠牲陽極は保護されるべき金属に直接または間接的に接続されます。
このタイプの保護は、石油・ガス産業において、海上リグやプラットフォームの構造用スチール部材の保護によく使われています。
このタイプの保護は、石油・ガス産業において、海上リグやプラットフォームの構造用スチール部材を保護するためによく使用されます。
図2. パッシブカソード保護法を用いて犠牲陽極で保護されているパイプラインの模式図。
受動的カソード保護のもう一つの一般的な例は、溶融亜鉛めっき鋼です。 この工程では、鉄の部材や構造物を溶融した亜鉛の浴槽に浸して、対象物をコーティングします。
鉄の部材に傷がついて下地が露出すると、周囲の亜鉛皮膜が犠牲陽極として働き、露出した鉄を保護するために優先的に腐食します。
ICCP（Impressed Current Cathodic Protection）
大規模な構造物では、受動的なカソード保護方法では実現できない場合があります。 十分な保護効果を得るために必要な電流を流すための犠牲陽極の数は、現実的ではないか、または非現実的な場合があります。 そこで、外部電源を用いて電気化学反応を促進させる方法がとられます。 この技術は、ICCP（Impressed Current Cathodic Protection）として知られている。 ICCPシステムは、地下パイプラインのような長大な構造物の保護に最適です。 ICCPの保護のためには、接続するパイプのフランジを絶縁キットで絶縁し、パイプをより小さく扱いやすい部分に分離するのが一般的です。
図3. 感電陰極保護(ICCP)法を用いて陽極で保護されている物体の模式図。
Limitations of Cathodic Protection
大規模なパイプラインネットワークでは、パイプラインのCPシステムの近くに多くの交差部、平行部、アプローチがある場合があります。 パイプライン間で直流干渉が起こり、腐食が促進される可能性があります。
コーティングされたパイプラインでは、適用されたコーティングの品質が低い場合、高いCPレベルのためにカソード乖離が発生する可能性があります。
コーティングされたパイプラインでは、塗布されたコーティングの質が悪い場合、高いCPレベルによってカソード溶解が起こる可能性があります。
結論
カソード防食は、パイプライン、海洋石油プラットフォーム、その他の鋼構造物の腐食を防ぐための一般的な防食方法です。 しかし、効果的に実施するためには、バイメタル/ガルバニック腐食の基本原理を理解することが極めて重要です。 適切なタイプのカソード保護システムを選択するには、費用対効果や保護する構造物のサイズなど、いくつかの要因があります。