Спросите любого, кто в течение десяти лет наблюдал за стеной из стальных свай в приливной реке, и вы услышите ту же историю. Структура выглядит нормально в течение многих лет, а затем появляется потеря секций чуть ниже уровня воды, именно там, где ее никто не видит. Катодная защита и жертвенные аноды призваны прервать эту историю. Это не новая технология, и они не сложны, если отбросить жаргон, но их также легко определить плохо. В этом руководстве рассказывается, как работают эти два метода, как на практике определяется размер анодной системы, и где весь разговор меняется, когда сама стена сделана из полимера, а не из стали.

Что на самом деле делает катодная защита

Сталь корродирует, потому что она образует электрохимическую ячейку с окружающей средой. Одна часть поверхности действует как анод и отдает ионы железа в воду или почву, высвобождая электроны. Другая часть ведет себя как катод, где эти электроны потребляются. Электролит (морская вода, солоноватая вода, влажная почва) проводит ионный ток, а сама сталь проводит электронный ток. Удалите любой из этих трех элементов, и коррозия остановится.

Катодная защита решает проблему с электрической стороны. Вместо того, чтобы позволить стали поставлять свои собственные электроны на анодные участки, вы подаете электроны из внешнего источника. Активные области переходят в катодное пассивное состояние. По сути, вы не столько останавливаете коррозионную реакцию, сколько даете ей возможность произойти в другом месте.

Есть только два способа доставить эти электроны. Либо вы подключаете сталь к более реактивному металлу, который корродирует на своем месте (жертвенный, или гальванический, анод), либо вы пропускаете ток в конструкцию от источника питания через инертные аноды (катодная защита с подаваемым током, обычно сокращенно до ICCP).

Как работает жертвенный анод

Жертвенный анод — это просто кусок металла, который менее благороден, чем сталь, которую он защищает. Соедините их электрически, поместите оба в один и тот же электролит, и анод станет корродирующей поверхностью. Стальные сваи на причале часто оснащаются браслетами из цинкового или алюминиевого сплава, прикрепленными болтами к стенке, или приваренными опорными кронштейнами на линии крыла. Анод медленно растворяется; куча остается целой.

Поскольку напряжение возбуждения возникает из-за разности потенциалов между двумя металлами, внешняя энергия не требуется. В этом большая сила гальванических систем, а также их потолок. Напряжение невелико, поэтому ток, достигающий удаленной или хорошо покрытой поверхности, ограничен, а анод имеет конечную массу, которая расходуется в течение расчетного срока службы. Когда аноды исчезнут, защита исчезнет, ​​поэтому доступ к замене имеет такое же значение, как и первоначальный расчет.

Сопоставление анодного металла с водой

Выбор анода в основном зависит от электролита. Сопротивление, соленость, температура и растворенный кислород — все это меняет выбор, и неправильный выбор обычно означает либо потерю массы, либо, что еще хуже, чрезмерную защиту, которая повреждает покрытие, которому оно должно было помочь.

Магний намеренно исключен из морской воды. Его более высокое напряжение возбуждения полезно в сухой, резистивной почве, но в соленой воде оно может сделать потенциал стали настолько отрицательным, что на поверхности образуется водород и образуется вздутие на покрытии. Он также потребляется быстрее, чем предполагает математика. Именно по этой причине цинковые и алюминиевые сплавы являются «рабочими лошадками» морского мира.

Жертвенные аноды или подаваемый ток?

Для одиночной короткой шпунтовой стены с разумным доступом для дайверов или небольшой лодки гальванические аноды трудно превзойти. Здесь нет трансформаторного выпрямителя, кабелей, которые нужно защитить, нет источника питания, который может выйти из строя, и система практически не требует обслуживания до тех пор, пока не потребуется замена анодов.

ICCP выигрывает у более крупных структур. Длинный причал с сотнями свай или сооружение, в котором аноды установлены на удаленных салазках на морском дне, требует большего тока, чем может обеспечить гальваническая система. Аноды с подаваемым током, обычно титановые или графитовые с покрытием из смешанного оксида металла, могут работать при гораздо более высоком напряжении, а выходную мощность можно настраивать по мере разрушения покрытия или изменения окружающей среды. В обмен вы соглашаетесь на более высокие капитальные затраты, постоянную потребность в электропитании, оборудование для мониторинга и систему, за которой должен следить компетентный оператор.

Разумное практическое правило: если текущий спрос скромен и конструкция компактна, оставайтесь гальваническими. Если вы защищаете тысячи квадратных метров стали и вам нужна одна панель управления вместо нескольких тонн алюминия, обратите внимание на подаваемый ток.

Определение размера системы: ток, площадь и время

Каждый проект начинается с текущего спроса, а текущий спрос начинается с контактной площади:

• Рассчитайте площадь погруженной и заглубленной поверхности стали, подлежащей защите.
• Умножьте на расчетную плотность тока для этой среды, обычно выражаемую в миллиамперах на квадратный метр.
• Примените коэффициент разрушения покрытия, если сталь окрашена, потому что покрытие, которое сегодня на 95 процентов неповреждено, не будет таким же через пятнадцать лет.

Быстрая иллюстрация. Шестьсот квадратных метров голой стали в морской воде при 25 мА/м² требуют примерно 15 А. Чтобы поддерживать этот показатель в течение двадцати лет, вам потребуется около 2,6 миллиона ампер-часов заряда, что при 2000 Ач/кг эквивалентно примерно 1,3 тоннам анодного материала из алюминиевого сплава без применения какого-либо коэффициента использования. Это число удивляет людей, которые считали аноды небольшим аксессуаром.

Два измерения управляют двумя разными вещами. Длина анода и, следовательно, площадь поверхности определяют, какой ток анод может выдать в любой момент. Поперечное сечение анода и, следовательно, масса определяют, как долго он может продолжать это делать. Длинный тонкий анод дает большой ток при коротком сроке службы; короткий толстый дает обратное. Хорошие конструкции сочетают в себе оба фактора с интервалом замены, с которым владелец действительно может жить.

Ограничения, которые стоит знать, прежде чем указывать

Катодная защита работает только там, где есть непрерывный электролит и свободный электрический путь. Это создает несколько практических границ:

• Зону заплеска и все, что находится над ней, защитить невозможно, поскольку нет воды, несущей течение. Для этой ленты требуется толщина покрытия, припуск на коррозию или вообще другой материал.
• Экранированные поверхности, например, стальные, спрятанные за плотным крылом или застрявшие в расщелине, пропускают небольшой ток или вообще не пропускают его, независимо от того, сколько анодов вы разместили поблизости.
• Блуждающие токи от близлежащих сварочных агрегатов, трамвайных систем или других CP-установок могут скорее ускорить коррозию незащищенной стали, чем предотвратить ее.
• Чрезмерная защита — это настоящий режим неудачи. Слишком большой ток повреждает покрытия, приводит к потере анодной массы и, в случае высокопрочных сталей, вызывает проблемы, связанные с водородным охрупчиванием.

Что это значит для полимерных шпунтовых свай

Вот та часть разговора, которую часто пропускают. Катодная защита защищает сталь. Шпунтовая стена из винила или ПВХ представляет собой диэлектрический материал: здесь нет железа, которое могло бы отдать ионы, нет электрохимической ячейки, которую можно было бы прерывать, и нет анода, который мог бы сделать что-нибудь полезное, даже если вы прикрепили его к панели. Когда проект переключается со стальных на полимерные шпунтовые сваи, пакет катодной защиты обычно полностью исчезает вместе с выпрямителем, ежегодным обследованием и программой замены анодов.

Это не делает полимер решением всех проблем. Ее необходимо выбрать с учетом правильных нагрузок, подходящей почвы и правильной экспозиции, а стена все равно нуждается в разумном проектировании. Но там, где движущей силой защиты было воздействие хлоридов, солоноватая вода или очень длительный период технического обслуживания, экономика шпунтовые сваи из ПВХ, устойчивые к коррозии часто выглядят совсем иначе, чем стальная стена плюс двадцать лет замены анода.

Одно предостережение от мастерской: многие так называемые полимерные стены все еще содержат сталь. Стяжные стержни, анкерные пластины, ригели и соединительные кронштейны часто изготавливаются из оцинкованной или покрытой стали и полностью подвергаются воздействию электрохимических процессов, описанных выше. Эти компоненты могут по-прежнему требовать анодов или замены материала, даже если шпунт сам по себе инертен. Чаще всего мы видим это на виниловые шпунтовые стены на морских объектах , где панели полимерные, а крепления за стеной нет.

Мониторинг и обслуживание простыми словами

Гальваническую систему можно проверить с помощью электрода сравнения и высокоомного вольтметра. Для стали, находящейся в морской воде, общепринятым критерием приемки является потенциал около -0,80 В относительно эталона серебра/хлорида серебра или сдвиг на 100 мВ от потенциала свободной коррозии, измеренного перед установкой. Какой бы критерий ни был принят при проектировании, запишите первоначальные показания, поскольку они являются единственной базовой линией, которая когда-либо будет существовать.

Опросы обычно проводятся ежегодно или два раза в год. Полезными результатами являются защитный потенциал вдоль стены, расход анода в зависимости от прогнозируемой скорости и любые признаки того, что покрытие разрушилось быстрее, чем предполагалось. Если аноды изнашиваются быстрее, чем ожидалось, текущий спрос был недооценен, и модернизацию необходимо провести до того, как защита исчезнет.

Вопросы, которые мы слышим от проектных команд

Могу ли я добавить аноды к существующей стене?

Да, и это обычное дело. Водолазы могут установить браслетные и автономные аноды, а системы удаленных анодов могут быть размещены на морском дне поблизости. Ограничением обычно является доступ и состояние существующей стали, а не теория.

Нужна ли катодная защита, если сталь хорошо покрыта?

Хорошее покрытие значительно снижает потребление тока, но не устраняет необходимости защиты каждого дефекта, кромки и сварного шва. Именно по этой причине нормы проектирования предполагают коэффициент разрушения покрытия.

Нужна ли полимерная стена вообще в защите от коррозии?

Панели этого не делают, но все стальные компоненты системы по-прежнему есть. Проверьте анкеры, соединения и все, что остается мокрым.

Десять лет строительства шпунтовых стен научили нас тому, что решения о коррозии обычно принимаются рано, с неполной информацией, а затем принимаются в расчет на протяжении десятилетий. Если ваш проект направлен на внедрение пакета катодной защиты, правильно определите его размер и запланируйте замену с первого дня. Если он движется к стене, свободной от стали, убедитесь, что вся система не содержит стали, а не только та часть, которую вы можете видеть из воды. В любом случае, мы будем рады обсудить материальную сторону этого решения с вашими инженерами.