Cathodic Protection

Cathodic Protection

Cathodic protection is a method for protecting metal structures from electrochemical corrosion.
The principle is, making the structure to be protected, cathode of an electrochemical cell.
A direct current (DC) electric current occurs between the protected structure and the anodes.

Specially formulated paints and coatings protect the underground storage tanks from corrosion. 

However the protective feature of the coatings lose its efficiency in time; making the tank 

vulnerable to corrosion, oxidation and lose some of its wall thickness.

During installation phase, the protective coating of the underground storage tank may scratch 

and peel off. If not repaired, these scratched/peeled off zones behave like an anode and the 

tank may have severe corrosion damage. Cathodic protection also prevents these 

scratched/peeled off zones to behave like an anode.  

Because of the above mentioned reasons, cathodic protection shall be applied to all 

underground LPG storage tanks. 

Simple Design and Calculation

Cathodic protection of an underground LPG storage tank can be made according to a simple 

procedure. Sacrificial anodes of magnesium are used for this purpose. Underground storage 

tanks have a wire or clamp for connecting magnesium anodes.

The number and size of magnesium anodes depend on the size of the storage tank; and are 

calculated for a service life of 10 years on average conditions. 

The following table gives the necessary quantity and sizes of magnesium anodes for different 

LPG storage tanks.

LPG Tank Volume  [m³]	Number of Anodes	Anode Size [lbs]
10	2	10 lbs.
20	4	10 lbs.
30	4	17 lbs.

 

Magnesium Anodes

The anode material is different for several cathodic protection applications. For galvanic 

cathodic protection of underground LPG tanks, magnesium anodes are utilized. 

These are simply blocks of magnesium, with a cable connected to one end, put inside a textile 

bag with a filler material. The filler optimizes the current producing ability of the anode. The 

following photo shows a magnesium anode. 

Different sizes of magnesium anodes are called with the mass of magnesium in lbs. Because  of the mass of filler material, the real mass of an anode is greater.

Magnesium anodes are delivered to the site with a waterproof packing, in order to protect from moisture. During installation, this packing shall be removed and the anode with the textile bag  will be buried under ground. Then some water shall be applied onto the anode, and will be  covered by sieved soil. 

The anode may only function when in contact with soil; not gravel or sand. In some countries, 

underground LPG storage tanks are covered with sand, according to local regulations. In this  case anodes shall be buried inside soil, nearby the tank. When not possible, covering the anode thoroughly with some earth, will also work.

While the cathodic protection system produces electric current, the anodes lose some of its 

mass and then diminish in time. 

Installation of Cathodic Protection Components

To achieve an effective protection, the magnesium anodes shall be evenly distributed around 

the storage tank, and not to be collected at one corner. The depth of the anodes shall be at 

vertically middle of the tank. 

A measurement/connection box shall be prepared nearby the storage tank. The measurement box shall have a wire connector which has connection ends for all anodes, and the storage tankitself. Connecting the ends of anode wires inside the measurement box enables to check wire 

connections, and to check and replace a single anode when necessary.

When a tank needs many anodes, laying wires from every anode to the control box will be hard.

In this case, the anodes may be connected to the measurement box via a ring cable. This type of installation requires excavation work to analyze and solve a possible problem.  

The following photo shows the wire connector inside the measurement box, for a 10 m3 

underground storage tank. This volume requires two magnesium anodes, and the wire connector has 3 ends; two for connecting anodes and one for the LPG tank.

In most cases, the underground LPG storage tank, and the magnesium anodes are supplied  with sufficient length of wire. When necessary, 1 x 10 mm² NYY cable may be used for  installation. The cable cross section doesn’t change with the number/capacity of anodes, or the tank volume.

In order to achieve a reliable connection with low electric resistance; cathodic protection wires 

shall be connected to the storage tank by thermite welding.  Thermite welding (TW), also known as exothermic welding, exothermic bonding, and thermit welding, is a welding process for  joining two electrical conductors, that employs superheated copper alloy to permanently join  the conductors. The process employs an exothermic reaction between aluminium powder and a mixture of copper oxides.

 Earthing and Cathodic Protection

The basic of cathodic protection is, keeping the structure to be protected under negative (-) electrical charge. The protected storage tank shall be isolated from the earthed equipment and 

parts of earthed piping. Gaskets, bolt sleeves and washers made from nonconductive material 

may be used for this purpose. The following photo shows these materials, which are called as 

isolating flange set. 

Reference Electrode

Reference electrode is utilized for checking a cathodic protection system. This checking process also requires a voltmeter showing milivolts. Any cathodic protection system shall be checked after installation, and then periodical checks  shall be made to ensure proper operation. 

There are several types of reference electrodes, but copper/copper sulfate electrodes are usedfor our application. 

Reference electrodes may be stationary, or portable. Stationary reference electrodes are once 

installed at the site and then used for a long service life. For LPG tank applications, portable 

reference electrodes are the preferred choice.

A portable reference electrode, shown on the following photos, is a small device. It consists of a tube to contain copper sulfate solution, a copper rod, and a connection cable. One end of the 

tube has a water permeable plug , for example made of wood. Outside the wood plug, there is also a rubber cap to prevent spillage of copper sulfate solution.

      

A new reference electrode contains copper sulfate salt, sufficient to be used for many times. The tube shall be filled with water 8-10 hours before use; to ensure the wooden plug being thoroughly wet. After use, the solution inside the tube may be poured into a clean bottle and stored there until 

the next use. This simple method will prolong the service life of solution, and the copper electrode 

Warning: 

Copper (II) sulfate is the chemical compound with the formula CuSO4. It is also known with  the names “blue vitriol" and "bluestone". This salt exists as a series of compounds that  differ in their degree of hydration. The anhydrous form is a pale green or gray-white powder, whereas the pentahydrate (CuSO4-5H2O), the most commonly encountered salt, is bright blue.  

Copper sulfate is an irritant. Skin contact may result in itching or eczema. Eye contact with 

copper sulfate can cause conjunctivitis, inflammation of the eyelid lining, ulceration, and  clouding of the cornea. Upon acute oral exposure, copper sulfate is moderately toxic. 

After 1–12 grams of copper sulfate are swallowed, such poisoning signs may occur as a metallic taste in the mouth, burning pain in the chest, nausea, diarrhea, vomiting,  headache, discontinued urination, which leads to yellowing of the skin. In case of copper sulfate poisoning, injury to the brain, stomach, liver, or kidneys may also occur. 

Checks by Using a Reference Electrode

When checking a cathodic protection system, first a small pit (15 cm. diam./10 to 15 cm depth) 

is digged nearby the storage tank, within roughly 1 meter to the tank, anodes and the 

measurement box. The reference electrode is dipped into this pit, the wooden plug pointing to 

down. Then pour some water into the pit, to moisten the soil.

The reference electrode tube shall be filled with copper sulfate solution 8-10 hours before the check. 

The (+) pole of the voltmeter will be connected to the reference electrode, and the (-) pole  will be connected to the system/anode to be checked. The measured potential difference will  be (-) negative.

The following measurements are made both for a new installed system, and during periodic checks:

- Measuring potential difference between the tank and the reference electrode

o while there is an electric connection between the tank and anodes

o while the tank wire is disconnected from the anodes 

- Measuring the potential difference between an anode and the reference electrode. 

  All anodes shall be checked individually, after disconnecting from the connector.  

Evaluating the Measured Values

The value measured between the tank connector and reference electrode, while the tank wire is disconnected, shall be less than -350 mV (e.g. -500 mV). For a new painted tank, measuring a

value close to -600 mV is expected. The measured value will increase (up to -350 mV) while  the tank is aging. If the measured value is higher than -350 mV (e.g. -300 mV) the following  shall be made:

- There may be a leak to earth at the tank-foundation connection. Electric insulation shall be provided.

- There may be a leak to earth at some part of underground piping.
Isolating flanges shall be checked. 

- The paint (or coating) on the tank is weak. Tank shall be re-painted.

The following diagram shows how to evaluate measured values:

The value measured between the tank connector and reference electrode, while the tank is 

connected to the anodes, shall be within -1100 mV to -650 mV. Any value within -1000 mV 

to -750 mV range is ideal. With a new painted tank and new anodes measuring a value close 

to -1000 mV is expected. The measured value will increase (up to -650 mV) while the tank and 

anodes are aging. 

If the measured value is higher than -650 mV (e.g. -600 mV) then there is not sufficient 

protection. In this case, the following shall be made:

- Spray water onto the anodes and reference electrode, then measure again.

- Check the anode wire connections

- Check every anode individually, and replace the dysfunctional anodes.

- Add an additional anode to the system

When measured voltage is lower than -1100 mV (e.g. -1250 mV) there is also a risk. When the 

system produces excessive electric current, hydrogen ions will be generated at the tank surface. These ions will cause the tank paint disband and peel off from the surface. In this case,  dismount an anode to achieve a suitable value.   

The performance of an anode will be checked by disconnecting it from the system, then 

measuring the potential difference between it and the reference electrode. The measured value

shall be less than -1200 mV (e.g. -1600 mV). Anodes lose some of their mass while generating

electricity and they lose their performance of generating electricity in time. Measured value of a 

new anode shall be lower than -1400 mV (e.g. -1600 mV). When this value is higher than
-1200 mV, the anode shall be replaced. 

Under normal conditions, anodes wear equally and therefore wholly replaced. 

Periodical Checks

Since the test period of an LPG tank is 10 years, cathodic protection systems are designed for a 10 year service life. After this period the tank will be taken out from the ground, will have a 

maintenance and be tested (hydraulic test or similar); and the anodes will be replaced during 

re-installation.

However, some conditions out of our control may cause rapid wear of tank paint and/or anodes

and then corrosion may develop on the tank. In order to detect this situation in advance, and to 

take preventive measures, periodical controls are essential. Isısan advises to check the 

performance of cathodic protection system once a year, by measuring potential difference 

using a reference electrode. 

The former sections of this article explain how to make measurements by using a reference 

electrode, and how to evaluate and interpret the results. Keeping the records of periodic 

checks offers some benefits like, confirming measured values, evaluating the rate of wear for 

anodes and tank paint. 

Any problem detected during periodical checks, may be solved by adding or replacing anodes. 

When tank paint is worn out and as a result of this fact, anodes were finishing in short time; the  tank shall be repaired. In case of very rapid wear, please consult a corrosion engineer.