Spørg enhver, der har set en stålpælevæg i en tidevandsflod i et årti, og du vil høre den samme historie. Strukturen ser fin ud i årevis, og så opstår tab af sektion lige under lavvande, præcis hvor ingen kan se det. Katodisk beskyttelse og offeranoder eksisterer for at afbryde den historie. De er ikke ny teknologi, og de er ikke komplicerede, når du først fjerner jargonen, men de er også lette at specificere dårligt. Denne guide gennemgår, hvordan de to metoder fungerer, hvordan et anodesystem dimensioneres i praksis, og hvor hele samtalen ændrer sig, når selve væggen er lavet af polymer frem for stål.

Hvad katodisk beskyttelse faktisk gør

Stål korroderer, fordi det danner en elektrokemisk celle med omgivelserne. En del af overfladen opfører sig som en anode og afgiver jernioner til vandet eller jorden, hvorved elektroner frigives. En anden del opfører sig som en katode, hvor disse elektroner forbruges. Elektrolytten (havvand, brakvand, våd jord) bærer ionstrømmen, og stålet selv bærer den elektroniske strøm. Fjern et af disse tre elementer og korrosionsstop.

Katodisk beskyttelse tackler problemet fra den elektriske side. I stedet for at lade stålet levere sine egne elektroner på de anodiske steder, tilfører man elektroner fra en ekstern kilde. De aktive områder skubbes ind i en katodisk, passiv tilstand. I virkeligheden stopper du ikke korrosionsreaktionen så meget som at give den et andet sted at ske.

Der er kun to måder at levere disse elektroner på. Enten forbinder man stålet til et mere reaktivt metal, der korroderer i stedet for (en offeranode eller galvanisk anode), eller også driver man strøm ind i strukturen fra en strømforsyning gennem inerte anoder (impressed current katodisk beskyttelse, normalt forkortet til ICCP).

Sådan fungerer en offeranode

En offeranode er simpelthen en metalklump, der er mindre ædel end det stål, den beskytter. Forbind de to elektrisk, sæt begge i den samme elektrolyt, og anoden bliver den korroderende overflade. Stålpæle i en anløbsbro er ofte forsynet med armbånd af zink eller aluminiumslegering boltet til nettet eller svejste stand-off beslag på fenderlinjen. Anoden opløses langsomt; bunken forbliver intakt.

Fordi drivspændingen kommer fra potentialforskellen mellem de to metaller, er der ikke behov for ekstern strøm. Det er den store styrke ved galvaniske systemer og også deres loft. Spændingen er lille, så strømmen, der når en fjern eller velbelagt overflade, er begrænset, og anoden har en endelig masse, der forbruges over designlevetiden. Når anoderne er væk, er beskyttelsen væk, hvorfor udskiftningsadgang betyder lige så meget som den indledende beregning.

At matche anodemetallet til vandet

Anodevalg handler mest om elektrolytten. Resistivitet, saltholdighed, temperatur og opløst ilt skifter alt sammen valget, og at få det forkert betyder normalt enten spildt masse eller endnu værre, overbeskyttelse, der beskadiger den belægning, den skulle hjælpe.

Magnesium er bevidst udeladt af havvandsrækken. Dens højere drivspænding er nyttig i tør, modstandsdygtig jord, men i saltvand kan den skubbe stålpotentialet langt nok negativt til at generere brint ved overfladen og blære belægningen. Det indtages også hurtigere, end matematikken antyder. Zink og aluminiumslegeringer er arbejdshestene i den marine verden af ​​netop denne grund.

Offeranoder eller imponeret strøm?

For en enkelt kort spunsvæg med rimelig adgang for dykkere eller en lille båd er galvaniske anoder svære at slå. Der er ingen transformatorensretter at huse, ingen kabler at beskytte, ingen strømforsyning der kan svigte, og systemet er stort set vedligeholdelsesfrit, indtil anoderne skal udskiftes.

ICCP vinder på større strukturer. En lang anløbsbro med hundredvis af pæle, eller en struktur, hvor anoderne sidder i fjerntliggende slæder på havbunden, har brug for mere strøm, end et galvanisk system kan levere. Imponerede strømanoder, typisk blandet metaloxidbelagt titanium eller grafit, kan drives ved en meget højere spænding, og outputtet kan indstilles, efterhånden som belægningen nedbrydes, eller miljøet ændrer sig. Til gengæld accepterer du højere kapitalomkostninger, et permanent strømbehov, overvågningsudstyr og et system, som en kompetent operatør skal passe på.

En rimelig tommelfingerregel: Hvis den nuværende efterspørgsel er beskeden, og strukturen er kompakt, forbliv galvanisk. Hvis du beskytter tusindvis af kvadratmeter stål, og du vil have ét kontrolpanel i stedet for flere tons aluminium, så se på imponeret strøm.

Dimensionering af et system: strøm, areal og tid

Hvert design starter med den aktuelle efterspørgsel, og den nuværende efterspørgsel starter med fugtet område:

• Beregn det nedsænkede og nedgravede overfladeareal af stål, der skal beskyttes.
• Multiplicer med en designstrømtæthed for det pågældende miljø, normalt udtrykt i milliampere pr. kvadratmeter.
• Anvend en belægningsnedbrydningsfaktor, hvis stålet er malet, for en belægning, der i dag er 95 procent intakt, vil ikke være det om femten år.

En hurtig illustration. Seks hundrede kvadratmeter bart stål i havvand ved 25 mA/m² har brug for ca. 15 A. For at holde det i tyve år har du brug for omkring 2,6 millioner amperetimers opladning, hvilket ved 2.000 Ah/kg svarer til omkring 1,3 tons aluminiumslegeringsanodemateriale, før der anvendes en udnyttelsesfaktor. Det er det tal, der overrasker folk, der antog, at anoder var et lille tilbehør.

To dimensioner styrer to forskellige ting. Anodens længde og dermed overfladearealet bestemmer, hvor meget strøm anoden kan skubbe ud på ethvert tidspunkt. Anodens tværsnit, og derfor massen, bestemmer, hvor længe den kan blive ved med at gøre det. En lang tynd anode giver høj strøm for en kort levetid; en kort fed giver det modsatte. Gode ​​designs balancerer både med det udskiftningsinterval, ejeren faktisk kan leve med.

Grænser, der er værd at kende, før du specificerer

Katodisk beskyttelse virker kun, hvor der er en kontinuerlig elektrolyt og en fri elektrisk vej. Det skaber et par praktiske grænser:

• Sprøjtezonen og alt over den kan ikke beskyttes, fordi der ikke er vand til at føre strømmen. Det bånd har brug for belægningstykkelse, en korrosionsgodtgørelse eller et helt andet materiale.
• Afskærmede overflader, såsom stål skjult bag en stram fender eller fanget i en sprække, modtager lidt eller ingen strøm, uanset hvor mange anoder du har i nærheden.
• Herreløse strømme fra nærliggende svejsesæt, sporvognssystemer eller andre CP-installationer kan fremskynde korrosion på ubeskyttet stål i stedet for at forhindre det.
• Overbeskyttelse er en rigtig fejltilstand. For meget strøm beskadiger belægninger, spilder anodemasse og giver, på højstyrkestål, anledning til bekymring for brintskørhed.

Hvad dette betyder for polymerspuns

Her er den del af samtalen, der ofte bliver sprunget over. Katodisk beskyttelse beskytter stål. En vinyl- eller PVC-spunsvæg er et dielektrisk materiale: Der er intet jern til at afgive ioner, ingen elektrokemisk celle til at afbryde, og ingen anode, der kunne gøre noget nyttigt, selvom du boltede en til panelet. Når et projekt skifter fra stål- til polymerspuns, forsvinder den katodiske beskyttelsespakke som regel helt sammen med ensretteren, den årlige undersøgelse og anodeudskiftningsprogrammet.

Det gør ikke polymer til svaret på alle problemer. Den skal vælges til de rigtige belastninger, den rigtige jord og den rigtige eksponering, og væggen mangler stadig et fornuftigt design. Men hvor drivkraften for beskyttelse var kloridangreb, brakvand eller en meget lang vedligeholdelseshorisont, er økonomien ved korrosionsbestandige PVC-spuns ser ofte meget anderledes ud end en stålvæg plus tyve års anodeudskiftning.

En advarsel fra værkstedet: Mange såkaldte polymervægge indeholder stadig stål. Trækstænger, ankerplader, valser og forbindelsesbeslag er ofte galvaniseret eller belagt stål og forbliver fuldstændigt udsat for den samme elektrokemi som beskrevet ovenfor. Disse komponenter kan stadig fortjene anoder eller et materialeskift, selv når spunsbunken i sig selv er inert. Det ser vi oftest på vinyl spunsvægge i marine værker , hvor panelerne er af polymer, men forankringen bag væggen ikke er det.

Overvågning og vedligeholdelse i almindelige vendinger

Et galvanisk system kan kontrolleres med en referenceelektrode og et højimpedansvoltmeter. For stål i havvand er et almindeligt acceptkriterium et potentiale på ca. -0,80 V mod en sølv/sølvklorid-reference eller et 100 mV-skift fra frikorrosionspotentialet målt før installation. Uanset hvilket kriterium designet anvender, skal du registrere de indledende aflæsninger, fordi de er den eneste basislinje, der nogensinde vil eksistere.

Undersøgelser er normalt årlige eller to gange årligt. De nyttige output er beskyttelsespotentiale langs væggen, anodeforbrug mod den forudsagte hastighed og ethvert tegn på, at belægningen er brudt ned hurtigere end antaget. Hvis anoderne bliver spist hurtigere end forventet, blev den nuværende efterspørgsel undervurderet, og eftermonteringen skal ske, før beskyttelsen falder væk.

Spørgsmål vi hører fra projektteams

Kan jeg tilføje anoder til en eksisterende væg?

Ja, og det er almindeligt. Armbånd og stand-off anoder kan monteres af dykkere, og fjerntliggende anodesystemer kan placeres på havbunden i nærheden. Begrænsningen er normalt adgang og tilstanden af ​​det eksisterende stål, ikke teorien.

Har jeg brug for katodisk beskyttelse, hvis stålet er godt belagt?

En god belægning reducerer strømbehovet dramatisk, men det fjerner ikke behovet for beskyttelse ved enhver defekt, kant og svejsning. Designkoder antager en belægningsnedbrydningsfaktor af netop denne grund.

Har en polymervæg overhovedet brug for korrosionsbeskyttelse?

Det gør panelerne ikke, men alle stålkomponenter i systemet gør det stadig. Tjek ankrene, forbindelserne og alt, der forbliver vådt.

Ti års bygning af spunsvægge har lært os, at korrosionsbeslutninger normalt træffes tidligt med ufuldstændig information og derefter leves med i årtier. Hvis dit projekt er på vej mod en katodisk beskyttelsespakke, skal du dimensionere den korrekt og budgettere med udskiftning fra dag ét. Hvis det er på vej mod en stålfri væg, skal du sørge for, at hele systemet er stålfrit, ikke kun den del, du kan se fra vandet. Uanset hvad, vi er glade for at tale gennem den materielle side af denne beslutning med dine ingeniører.