Zapytaj kogokolwiek, kto przez dekadę obserwował ścianę z pali stalowych w rzece pływowej, a usłyszysz tę samą historię. Konstrukcja wygląda dobrze przez lata, a następnie ubytki przekroju pojawiają się tuż pod niskim stanem wody, dokładnie tam, gdzie nikt ich nie widzi. Istnieją zabezpieczenia katodowe i anody protektorowe, które przerywają tę historię. Nie są to nowe technologie i nie są skomplikowane, jeśli pozbędziemy się żargonu, ale łatwo je też źle określić. W tym przewodniku opisano, jak działają te dwie metody, jak w praktyce dobiera się wymiary systemu anodowego i gdzie cała dyskusja się zmienia, gdy sama ściana jest wykonana z polimeru, a nie ze stali.

Co właściwie robi ochrona katodowa

Stal koroduje, ponieważ tworzy z otoczeniem ogniwo elektrochemiczne. Jedna część powierzchni zachowuje się jak anoda i oddaje jony żelaza do wody lub gleby, uwalniając elektrony. Inna część zachowuje się jak katoda, w której zużywane są te elektrony. Elektrolit (woda morska, woda słonawa, mokra gleba) przenosi prąd jonowy, a sama stal przenosi prąd elektroniczny. Usuń jeden z tych trzech elementów, a korozja zatrzyma się.

Ochrona katodowa rozwiązuje problem od strony elektrycznej. Zamiast pozwalać, aby stal dostarczała własne elektrony w miejscach anodowych, wprowadzasz je z zewnętrznego źródła. Obszary aktywne są wprowadzane w stan katodowy, pasywny. W efekcie nie tyle zatrzymujesz reakcję korozji, ile pozwalasz jej zaistnieć w innym miejscu.

Istnieją tylko dwa sposoby dostarczenia tych elektronów. Albo łączysz stal z bardziej reaktywnym metalem, który w jego miejscu koroduje (anoda protektorowa lub galwaniczna), albo doprowadzasz prąd do konstrukcji z zasilacza przez obojętne anody (ochrona katodowa prądu pod wrażeniem, zwykle w skrócie ICCP).

Jak działa anoda ofiarna

Anoda protektorowa to po prostu bryła metalu mniej szlachetna niż stal, którą chroni. Połącz je elektrycznie, włóż oba do tego samego elektrolitu, a anoda stanie się powierzchnią korodującą. Stalowe pale na nabrzeżu są często wyposażone w bransolety ze stopu cynku lub aluminium przykręcone do środnika lub przyspawane wsporniki dystansowe na linii odbojnicy. Anoda powoli się rozpuszcza; stos pozostaje nienaruszony.

Ponieważ napięcie sterujące pochodzi z różnicy potencjałów między dwoma metalami, nie jest potrzebne żadne zewnętrzne zasilanie. Na tym polega wielka siła systemów galwanicznych, a także ich sufitów. Napięcie jest małe, więc prąd docierający do odległej lub dobrze pokrytej powierzchni jest ograniczony, a anoda ma skończoną masę, która jest zużywana przez cały projektowany okres użytkowania. Kiedy znikną anody, nie będzie już ochrony, dlatego dostęp do wymiany jest tak samo ważny jak wstępne obliczenia.

Dopasowanie metalu anody do wody

Wybór anody dotyczy głównie elektrolitu. Oporność, zasolenie, temperatura i rozpuszczony tlen zmieniają wybór, a błędne ustawienie zwykle oznacza albo zmarnowaną masę, albo, co gorsza, nadmierną ochronę, która uszkadza powłokę, która miała pomóc.

Magnez celowo pomija się w wodzie morskiej. Wyższe napięcie sterujące jest przydatne w suchej, opornej glebie, ale w słonej wodzie może podnieść potencjał stali na tyle ujemny, że na powierzchni wytworzy się wodór i spęcherzy powłokę. Jest również spożywany szybciej, niż sugeruje matematyka. Właśnie z tego powodu stopy cynku i aluminium są końmi pociągowymi w świecie morskim.

Anody ofiarne czy prąd pod wrażeniem?

W przypadku pojedynczej, krótkiej ściany szczelnej, do której można łatwo dotrzeć dla nurków lub małej łodzi, anody galwaniczne są nie do pobicia. Nie ma prostownika transformatorowego w domu, nie ma okablowania zabezpieczającego, nie ma zasilacza, który mógłby ulec awarii, a system jest w zasadzie bezobsługowy, dopóki anody nie będą wymagały wymiany.

ICCP wygrywa na większych strukturach. Długie molo z setkami pali lub konstrukcja, w której anody są umieszczone na odległych saniach na dnie morskim, potrzebuje więcej prądu, niż może dostarczyć system galwaniczny. Anody pod ciśnieniem, zazwyczaj tytan lub grafit pokryty mieszanką tlenków metali, mogą być zasilane znacznie wyższym napięciem, a moc wyjściową można regulować w miarę degradacji powłoki lub zmiany środowiska. W zamian akceptujesz wyższe koszty inwestycyjne, stałe zapotrzebowanie na energię, sprzęt monitorujący i system, którym musi opiekować się kompetentny operator.

Rozsądna zasada: jeśli bieżące zapotrzebowanie jest skromne, a konstrukcja zwarta, pozostań galwaniczny. Jeśli chronisz tysiące metrów kwadratowych stali i chcesz mieć jeden panel sterowania zamiast kilku ton aluminium, spójrz na prąd pod ciśnieniem.

Rozmiarowanie systemu: prąd, powierzchnia i czas

Każdy projekt zaczyna się od bieżącego zapotrzebowania, a aktualne zapotrzebowanie zaczyna się od obszaru zwilżonego:

• Oblicz zanurzoną i zakopaną powierzchnię stali, która ma być chroniona.
• Pomnóż przez projektową gęstość prądu dla tego środowiska, zwykle wyrażaną w miliamperach na metr kwadratowy.
• Jeśli stal jest malowana, należy zastosować współczynnik zniszczenia powłoki, ponieważ powłoka, która jest obecnie w 95% nienaruszona, nie będzie istnieć za piętnaście lat.

Szybka ilustracja. Sześćset metrów kwadratowych gołej stali w wodzie morskiej przy 25 mA/m² wymaga około 15 A. Aby utrzymać tę wartość przez dwadzieścia lat, potrzeba około 2,6 miliona amperogodzin ładowania, co przy 2000 Ah/kg daje około 1,3 tony materiału anodowego ze stopu aluminium przed zastosowaniem jakiegokolwiek współczynnika wykorzystania. To liczba, która zaskakuje ludzi, którzy uważali, że anody to drobny dodatek.

Dwa wymiary kontrolują dwie różne rzeczy. Długość anody, a co za tym idzie pole powierzchni, określa, ile prądu anoda może wypchnąć w dowolnym momencie. Przekrój anody, a co za tym idzie, masa, określa, jak długo może to robić. Długa, cienka anoda zapewnia wysoki prąd przez krótką żywotność; krótki, gruby daje coś odwrotnego. Dobre projekty równoważą oba okresy wymiany, z którymi właściciel może faktycznie żyć.

Limity, które warto znać przed określeniem

Ochrona katodowa działa tylko wtedy, gdy występuje ciągły elektrolit i czysta ścieżka elektryczna. Tworzy to kilka praktycznych granic:

• Strefy rozprysków i wszystkiego powyżej niej nie można chronić, ponieważ nie ma wody, która mogłaby przenosić prąd. Pasmo to wymaga grubości powłoki, naddatku na korozję lub zupełnie innego materiału.
• Powierzchnie ekranowane, takie jak stal ukryta za ciasnym błotnikiem lub uwięziona w szczelinie, otrzymują niewielki prąd lub nie otrzymują go wcale, niezależnie od liczby anod umieszczonych w pobliżu.
• Prądy błądzące z pobliskich zestawów spawalniczych, systemów tramwajowych lub innych instalacji CP mogą przyspieszyć korozję niezabezpieczonej stali, zamiast jej zapobiegać.
• Nadmierna ochrona to prawdziwy tryb awaryjny. Zbyt duży prąd uszkadza powłoki, marnuje masę anodową, a w przypadku stali o wysokiej wytrzymałości budzi obawy związane z kruchością wodorową.

Co to oznacza dla stosów arkuszy polimerowych

Oto część rozmowy, która często jest pomijana. Ochrona katodowa chroni stal. Ściana z grodzic winylowych lub PCV jest materiałem dielektrycznym: nie ma żelaza, które mogłoby oddawać jony, nie ma ogniwa elektrochemicznego, które mogłoby zakłócać pracę, ani anody, która mogłaby zdziałać cokolwiek użytecznego, nawet gdyby została przykręcona do panelu. Kiedy w projekcie zmienia się grodzice stalowe na grodzice polimerowe, pakiet ochrony katodowej zwykle znika całkowicie, wraz z prostownikiem, corocznym przeglądem i programem wymiany anod.

Nie oznacza to jednak, że polimer jest odpowiedzią na każdy problem. Należy ją wybrać pod kątem odpowiednich obciążeń, odpowiedniego gruntu i właściwej ekspozycji, a ściana nadal wymaga rozsądnego projektu. Ale tam, gdzie czynnikiem ochronnym był atak chlorków, słonawa woda lub bardzo długi okres konserwacji, ekonomia grodzice PCV odporne na korozję często wyglądają zupełnie inaczej niż stalowa ściana plus dwadzieścia lat wymiany anod.

Jedno zastrzeżenie z warsztatu: wiele tak zwanych ścian polimerowych nadal zawiera stal. Ściągi, płyty kotwiące, rygle i wsporniki łączące są często wykonane ze stali ocynkowanej lub powlekanej i pozostają w pełni wystawione na działanie tej samej elektrochemii opisanej powyżej. Elementy te mogą nadal zasługiwać na anody lub zmianę materiału, nawet jeśli sama grodzica jest obojętna. Najczęściej widzimy to na Ściany z grodzic winylowych w zakładach morskich , gdzie panele są polimerowe, ale zakotwienie za ścianą nie.

Monitorowanie i konserwacja w prostych słowach

Układ galwaniczny można sprawdzić za pomocą elektrody odniesienia i woltomierza o wysokiej impedancji. W przypadku stali w wodzie morskiej powszechnym kryterium akceptacji jest potencjał około -0,80 V w stosunku do odniesienia srebra/chlorku srebra lub przesunięcie o 100 mV w stosunku do potencjału wolnej korozji zmierzonego przed instalacją. Niezależnie od kryterium przyjętego w projekcie, zapisz początkowe odczyty, ponieważ stanowią one jedyny punkt odniesienia, jaki kiedykolwiek będzie istniał.

Ankiety są zwykle przeprowadzane co roku lub dwa razy w roku. Przydatnymi wynikami są potencjał ochronny wzdłuż ściany, zużycie anod w stosunku do przewidywanego tempa oraz wszelkie oznaki, że powłoka uległa uszkodzeniu szybciej niż zakładano. Jeśli anody zużywają się szybciej, niż oczekiwano, oznacza to, że bieżące zapotrzebowanie zostało niedoszacowane i modernizacja musi nastąpić, zanim ochrona przestanie działać.

Pytania, które słyszymy od zespołów projektowych

Czy mogę dodać anody do istniejącej ściany?

Tak i jest to powszechne. Nurkowie mogą montować anody bransoletowe i dystansowe, a na pobliskim dnie morskim można umieścić systemy zdalnych anod. Ograniczeniem jest zazwyczaj dostęp i stan istniejącej stali, a nie teoria.

Czy potrzebuję ochrony katodowej, jeśli stal jest dobrze pokryta?

Dobra powłoka drastycznie zmniejsza zapotrzebowanie na prąd, ale nie eliminuje potrzeby ochrony w przypadku każdej wady, krawędzi i spoiny. Właśnie z tego powodu w kodeksach projektowych przyjęto współczynnik zniszczenia powłoki.

Czy ściana polimerowa w ogóle potrzebuje zabezpieczenia antykorozyjnego?

Panele nie, ale każdy stalowy element systemu nadal tak. Sprawdź kotwy, połączenia i wszystko, co pozostaje mokre.

Dziesięć lat budowania ścian szczelnych nauczyło nas, że decyzje dotyczące korozji są zwykle podejmowane wcześnie, na podstawie niekompletnych informacji, a następnie uwzględniane przez dziesięciolecia. Jeśli Twój projekt zmierza w kierunku pakietu ochrony katodowej, należy go odpowiednio dobrać i zaplanować budżet na wymianę od pierwszego dnia. Jeśli zmierza w stronę ściany pozbawionej stali, upewnij się, że nie zawiera stali cały system, a nie tylko część widoczna z wody. Tak czy inaczej, chętnie omówimy z inżynierami materialną stronę tej decyzji.