Spør alle som har sett en stålpelvegg i en tidevannselv i et tiår, og du vil høre den samme historien. Strukturen ser fin ut i årevis, og deretter vises seksjonstap like under lavt vann, akkurat der ingen kan se det. Katodisk beskyttelse og offeranoder finnes for å avbryte den historien. De er ikke ny teknologi, og de er ikke kompliserte når du først fjerner sjargongen, men de er også lette å spesifisere dårlig. Denne guiden går gjennom hvordan de to metodene fungerer, hvordan et anodesystem er dimensjonert i praksis, og hvor hele samtalen endres når selve veggen er laget av polymer i stedet for stål.

Hva katodisk beskyttelse faktisk gjør

Stål korroderer fordi det danner en elektrokjemisk celle med omgivelsene. En del av overflaten oppfører seg som en anode og gir fra seg jernioner til vannet eller jorda, og frigjør elektroner. En annen del oppfører seg som en katode, hvor disse elektronene forbrukes. Elektrolytten (sjøvann, brakkvann, våt jord) bærer ionstrømmen, og stålet selv bærer den elektroniske strømmen. Fjern et av disse tre elementene og korrosjonstopper.

Katodisk beskyttelse takler problemet fra den elektriske siden. I stedet for å la stålet tilføre sine egne elektroner på de anodiske stedene, mater du elektroner inn fra en ekstern kilde. De aktive områdene presses inn i en katodisk, passiv tilstand. Faktisk stopper du ikke korrosjonsreaksjonen så mye som at du gir den et annet sted å skje.

Det er bare to måter å forsyne disse elektronene på. Enten kobler du stålet til et mer reaktivt metall som korroderer på stedet (en offeranode, eller galvanisk anode), eller så driver du strøm inn i strukturen fra en strømforsyning gjennom inerte anoder (impressed current katodisk beskyttelse, vanligvis forkortet til ICCP).

Hvordan en offeranode fungerer

En offeranode er rett og slett en metallklump som er mindre edel enn stålet den beskytter. Koble de to elektrisk, legg begge i samme elektrolytt, og anoden blir den korroderende overflaten. Stålpeler i en brygge er ofte utstyrt med armbånd av sink eller aluminiumslegering boltet til banen, eller sveisede avstandsbeslag på fenderlinjen. Anoden løses sakte opp; haugen forblir intakt.

Fordi drivspenningen kommer fra potensialforskjellen mellom de to metallene, trengs ingen ekstern strøm. Det er den store styrken til galvaniske systemer og også taket deres. Spenningen er liten, så strømmen som når en fjern eller godt belagt overflate er begrenset, og anoden har en begrenset masse som forbrukes over dimensjonerende levetid. Når anodene er borte, er beskyttelsen borte, og det er grunnen til at erstatningstilgang er like viktig som den første beregningen.

Matcher anodemetallet med vannet

Anodevalg handler mest om elektrolytten. Resistivitet, saltholdighet, temperatur og oppløst oksygen endrer alle valget, og å gå feil betyr vanligvis enten bortkastet masse eller, enda verre, overbeskyttelse som skader belegget det var ment å hjelpe.

Magnesium er bevisst utelatt fra sjøvannsrekken. Dens høyere drivspenning er nyttig i tørr, motstandsdyktig jord, men i saltvann kan den presse stålpotensialet langt nok negativt til å generere hydrogen på overflaten og danne blemmer på belegget. Det konsumeres også raskere enn matematikken tilsier. Sink og aluminiumslegeringer er arbeidshestene i den marine verden av akkurat denne grunnen.

Offeranoder eller imponert strøm?

For en enkelt kort spuntvegg med rimelig tilgang for dykkere eller en liten båt, er galvaniske anoder vanskelig å slå. Det er ingen transformatorlikeretter å huse, ingen kabling å beskytte, ingen strømforsyning som svikter, og systemet er i hovedsak vedlikeholdsfritt inntil anodene må skiftes ut.

ICCP vinner på større strukturer. En lang brygge med hundrevis av påler, eller en struktur der anodene sitter i avsidesliggende sleder på havbunnen, trenger mer strøm enn et galvanisk system kan levere. Imponerte strømanoder, typisk blandet metalloksidbelagt titan eller grafitt, kan drives med en mye høyere spenning og utgangen kan justeres etter hvert som belegget degraderes eller miljøet endres. I bytte aksepterer du høyere kapitalkostnader, et permanent kraftbehov, overvåkingsutstyr og et system som en kompetent operatør må passe på.

En fornuftig tommelfingerregel: hvis dagens etterspørsel er beskjeden og strukturen er kompakt, forbli galvanisk. Hvis du beskytter tusenvis av kvadratmeter stål og du vil ha ett kontrollpanel i stedet for flere tonn aluminium, se på imponert strøm.

Dimensjonere et system: strøm, område og tid

Hvert design starter med dagens etterspørsel, og dagens etterspørsel starter med fuktet område:

• Beregn nedsenket og nedgravd overflate av stål som skal beskyttes.
• Multipliser med en designstrømtetthet for det miljøet, vanligvis uttrykt i milliampere per kvadratmeter.
• Bruk en beleggsnedbrytningsfaktor hvis stålet er malt, for et belegg som er 95 prosent intakt i dag vil ikke være det om femten år.

En rask illustrasjon. Seks hundre kvadratmeter bart stål i sjøvann ved 25 mA/m² trenger omtrent 15 A. For å holde det i tjue år trenger du omtrent 2,6 millioner amperetimers ladning, som ved 2000 Ah/kg utgjør rundt 1,3 tonn anodemateriale av aluminiumslegering før noen utnyttelsesfaktor brukes. Det er tallet som overrasker folk som antok at anoder var et lite tilbehør.

To dimensjoner styrer to forskjellige ting. Anodelengde, og dermed overflateareal, setter hvor mye strøm anoden kan presse ut til enhver tid. Anodens tverrsnitt, og derfor massen, angir hvor lenge den kan fortsette å gjøre det. En lang tynn anode gir høy strøm for kort levetid; en kort feit gir det motsatte. Gode ​​design balanserer både mot utskiftingsintervallet eieren faktisk kan leve med.

Grenser verdt å vite før du spesifiserer

Katodisk beskyttelse fungerer kun der det er en kontinuerlig elektrolytt og en fri elektrisk vei. Det skaper noen praktiske grenser:

• Sprutsonen og alt over den kan ikke beskyttes, fordi det ikke er vann til å føre strømmen. Det båndet trenger beleggtykkelse, en korrosjonsgodtgjørelse eller et helt annet materiale.
• Skjermede overflater, som stål skjult bak en tett fender eller fanget i en sprekk, mottar lite eller ingen strøm uansett hvor mange anoder du har i nærheten.
• Stramstrømmer fra nærliggende sveisesett, trikkesystemer eller andre CP-installasjoner kan fremskynde korrosjon på ubeskyttet stål i stedet for å forhindre det.
• Overbeskyttelse er en reell feilmodus. For mye strøm skader belegg, sløser med anodemasse og, på høyfast stål, øker bekymringen for hydrogensprøhet.

Hva dette betyr for polymerspunt

Her er den delen av samtalen som ofte blir hoppet over. Katodisk beskyttelse beskytter stål. En vinyl- eller PVC-spuntvegg er et dielektrisk materiale: det er ikke noe jern som gir fra seg ioner, ingen elektrokjemisk celle som kan avbryte, og ingen anode som kan gjøre noe nyttig selv om du bolter en til panelet. Når et prosjekt går over fra stål- til polymerspunt, forsvinner vanligvis den katodiske beskyttelsespakken helt, sammen med likeretteren, den årlige undersøkelsen og anodebytteprogrammet.

Det gjør ikke polymer til svaret på alle problemer. Den må velges for riktig belastning, riktig jord og riktig eksponering, og veggen trenger fortsatt en fornuftig utforming. Men hvor drivkraften for beskyttelse var kloridangrep, brakkvann eller en veldig lang vedlikeholdshorisont, var økonomien til korrosjonsbestandige PVC spunt ser ofte veldig annerledes ut enn en stålvegg pluss tjue år med anodeutskifting.

Ett forbehold fra verkstedet: mange såkalte polymervegger inneholder fortsatt stål. Strekkstenger, ankerplater, valser og koblingsbraketter er ofte galvanisert eller belagt stål og forblir fullstendig eksponert for den samme elektrokjemien beskrevet ovenfor. Disse komponentene kan fortsatt fortjene anoder, eller en endring av materiale, selv når selve spunten er inert. Dette ser vi oftest på vinyl spuntvegger i marine arbeider , hvor panelene er av polymer, men forankringen bak veggen ikke er det.

Overvåking og vedlikehold i vanlige vilkår

Et galvanisk system kan kontrolleres med en referanseelektrode og et høyimpedansvoltmeter. For stål i sjøvann er et vanlig akseptkriterium et potensial på ca -0,80 V mot en sølv/sølvkloridreferanse, eller et 100 mV skift fra frikorrosjonspotensialet målt før installasjon. Uansett hvilket kriterium designet vedtar, registrer de første avlesningene, fordi de er den eneste grunnlinjen som noen gang vil eksistere.

Undersøkelser er vanligvis årlige eller to ganger årlig. De nyttige utgangene er beskyttelsespotensial langs veggen, anodeforbruk mot forventet hastighet, og eventuelle tegn på at belegget har brutt ned raskere enn antatt. Hvis anodene blir spist raskere enn forventet, ble dagens etterspørsel undervurdert og ettermonteringen må skje før beskyttelsen faller bort.

Spørsmål vi hører fra prosjektteam

Kan jeg legge til anoder på en eksisterende vegg?

Ja, og det er vanlig. Armbånd og stand-off anoder kan monteres av dykkere, og eksterne anodesystemer kan plasseres på havbunnen i nærheten. Begrensningen er vanligvis tilgang og tilstanden til det eksisterende stålet, ikke teorien.

Trenger jeg katodisk beskyttelse hvis stålet er godt belagt?

Et godt belegg reduserer strømbehovet dramatisk, men det fjerner ikke behovet for beskyttelse ved hver defekt, kant og sveis. Designkoder antar en nedbrytningsfaktor for belegg av nettopp denne grunnen.

Trenger en polymervegg noe korrosjonsbeskyttelse i det hele tatt?

Det gjør ikke panelene, men alle stålkomponenter i systemet gjør det fortsatt. Sjekk ankrene, koblingene og alt som forblir vått.

Ti år med bygging av spuntvegger har lært oss at korrosjonsbeslutninger vanligvis tas tidlig, med ufullstendig informasjon, og deretter leves med i flere tiår. Hvis prosjektet ditt går mot en katodisk beskyttelsespakke, dimensjoner den riktig og budsjetter for erstatning fra dag én. Hvis det er på vei mot en stålfri vegg, sørg for at hele systemet er stålfritt, ikke bare den delen du kan se fra vannet. Uansett, vi snakker gjerne gjennom den materielle siden av denne beslutningen med ingeniørene dine.