MT-0.6011 Korrosionestotekniikka Katodinen suojaus 17.3.2016.

Esitys aiheesta: "MT-0.6011 Korrosionestotekniikka Katodinen suojaus 17.3.2016."— Esityksen transkriptio:

1 MT-0.6011 Korrosionestotekniikka Katodinen suojaus 17.3.2016

2 KATODINEN SUOJAUS Katodisen suojauksen periaate Mitoituksesta Potentiaali- ja virtajakaumat Laskelmat DNV RP B401 tai SFS-EN 12473 ja SFS-EN 12495 mukaan. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 2

3 KATODISEN SUOJAUKSEN PERIAATE 17.3.2016 MT-0.6011, CP 3

4 KATODISEN SUOJAUKSEN PERIAATE Katodinen suojaus perustuu siihen, että korroosio- reaktion sijasta käynnistetään tarkoituksella jokin toinen hapettumisreaktio. Korroosiokennoon syötetään ulkopuolista anodista virtaa, jonka avulla pienennetään katodisten reaktioiden syöpyvältä metallilta ottamaa anodista virtaa. Ylimääräisten anodisten reaktioiden ansiosta suojattava rakenne saadaan toimimaan pääasiassa katodina, sen korroosiovirta pienenee ja korroosio hidastuu siedettävälle tasolle. Sen potentiaali laskee, eli se polarisoituu katodiseen suuntaan, mistä menetelmä on saanut nimensä. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 4

5 KATODISEN SUOJAUKSEN PERIAATE Muuttamalla materiaalin potentiaalia negatiiviseen suuntaan saadaan aina hidastettua korroosionopeutta, ja tietyn materiaalista ja ympäristöstä riippuvan raja- arvon alapuolella anodiset korroosioreaktiot käytännössä pysähtyvät. Teräkselle merivedessä hyväksyttäväksi korroosionopeudeksi on esitetty 10 µm vuodessa (1 µA/cm 2 ). Virrantiheyttä, joka riittää suojaamiseen, kutsutaan suojavirrantiheydeksi. Esimerkiksi teräkselle merivedessä suojavirrantiheys vaihtelee välillä 0,9-1,2 kertaa korroosiovirrantiheys. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 5

6 KATODISEN SUOJAUKSEN PERIAATE 17.3.2016 MT-0.6011, CP 6

7 KATODISEN SUOJAUKSEN PERIAATE Suojavirta on virrantiheys, joka polarisoi suojattavan kohteen riittävästi katodiseen suuntaan. Suojavirran on oltava suurempi kuin materiaalin korroosiovirrantiheys. Tällöin suojattava kohde on ns. suojapotentiaalissa tai sen alapuolella. Katodisen suojauksen toimivuus tarkistetaan mittaamalla suojattavan kohteen potentiaali referenssielektrodin suhteen. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 7

8 KATODISEN SUOJAUKSEN PERIAATE 17.3.2016 MT-0.6011, CP 8

9 KATODISEN SUOJAUKSEN MITOITUS Suojauksen suunnittelua varten tarvitaan lähtötietoina: –suojattavan rakenteen pinta-ala, –pinnoitteen tyyppi, –rasituksen kestoaika, –suojausjärjestelmän haluttu käyttöikä, –suojavirrantiheys –tiedot korroosioympäristöstä, kuten esimerkiksi ominaisvastus ja virtausnopeus 17.3.2016 MT-0.6011, CP 9

10 KATODISEN SUOJAUKSEN MITOITUS Mitoituksen vaiheet: 1.Pinta-ala 2.Virran tarve, alku- ja lopputilanne, ylläpitovirta, pinnoitteiden vaikutus 3.Anodien valinta 4.Anodien massa 5.Anodien vastus alussa ja lopussa 6.Anodien määrä 7.Anodien kapasiteetin tarkistus 8.Tarvittaessa palataan kohtaan 3 ja lasketaan toisella anodilla 9.Anodien sijoittelu 17.3.2016 MT-0.6011, CP 10

11 KATODISEN SUOJAUKSEN MITOITUS Suojavirrantiheys [mA/m 2 ] saadaan standardeista tai arvioimalla. Suojavirrantiheys on sitä suurempi mitä suurempi on materiaalin korroosionopeus. Suojavirran tarve [mA tai A] saadaan kertomalla suojattavan pinnan ala suojavirrantiheydellä. Mitä parempaa pinnoitetta käytetään, sitä pienempi virta riittää. Pinnoitteen vaikutus ja sen ominaisvastuksen huonontuminen käytön aikana ja pinnoitevaurioiden suuruus käytön aikana otetaan huomioon sopivilla kertoimilla. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 11

12 KATODISEN SUOJAUKSEN MITOITUS Suojavirrantiheydelle ilmoitetaan tavallisesti kaksi tai kolme arvoa: –suojauksen alussa tarvittava (initial), –suojauksen toiminnan aikana tarvittava (mean, maintenance), –suojauksen uudelleen käynnistämiseen tarvittava (final). Alussa virtaa tarvitaan enemmän, koska suojaus toimiessaan muodostaa saostumia rakenteen pintaan, jotka vähentävät virrantarvetta. Jokaista virrantiheyttä tarvitaan suojausta mitoitettaessa, mutta alussa tarvittavaa virrantiheyttä vaativa tilanne esiintyy yleensä vain kohteilla, joissa on paljon pinnoittamatonta metallia. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 12

13 KATODISEN SUOJAUKSEN MITOITUS Anodien koko, lukumäärä ja sijoittelu haetaan iteroimalla. Anodit ovat pintaan asennettavia, irti pinnasta tai renkaita. Anodit valitaan ensisijassa valmistajien standardityypeistä. Samaan kohteeseen ei yleensä valita useita erilaisia anodeja. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 13

14 KATODISEN SUOJAUKSEN MITOITUS ZnAlMg E o, V-0,76-1,28-1,55 E o c, V Ag/AgCl merivesi sedimentti -0.95 -1.05 -0.95-1.25 C m, Ah/kg merivesi sedimentti 780 700 2000 1500 C m. teoreettinen Ah/kg82029802200 Hyötysuhde0,900,800,50 17.3.2016 MT-0.6011, CP 14

15 KATODISEN SUOJAUKSEN MITOITUS Anodivalmistajat ilmoittavat uhrautuvien tai liukenemattomien anodien virransyöttökapasiteetin [A], [Ah] tai [Ah/kg]. Anodien yhteenlasketun virransyöttökapasiteetin on oltava vähintään yhtä suuri kuin suojavirran tarve. Anodin virransyöttökyky on kääntäen verrannollinen sen vastukseen ja vastus riippuu ympäristön johtokyvystä, anodin pinta-alasta ja anodin muodosta. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 15

16 KATODISEN SUOJAUKSEN MITOITUS Liukenemattoman anodin syöttämä virta riippuu anodimateriaalista ja anodin pinta-alasta ja se on usein ilmoitettu valmistajan spesifikaatioissa ampeerimääränä. Kaikkien anodien yhteensä syöttämän virran on oltava vähintään yhtä suuri kuin suojaukseen tarvittava virta. Liukenemattomilla anodeilla polarisointikyky on suurempi kuin uhrautuvilla anodeilla, ja sitä voidaan kasvattaa syöttämällä enemmän virtaa. Järjestelmän rajoittavia tekijöitä ovat virtalähteen napajännite ja maksimivirta sekä anodien lukumäärä. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 16

17 POTENTIAALI- JA VIRTAJAKAUMAT Yksittäisen anodin suojaama alue riippuu: -Suojavirrantiheydestä -Anodin syöttämästä virrasta -Pinnoitteen kunnosta (ominaisvastuksesta) -Ympäristön johtokyvystä Wagnerin luku, eli polarisaatiovastus jaettuna elektrolyytin ominaisvastuksella, kuvaa sitä matkaa, jolle suojaus ulottuu. Suuri polarisaatiovastuksen arvo tarkoittaa, että pinnoite on hyvin eristävä, sen läpi ei kulje virtaa, eli suojattava pinta ei “ime” kaikkea virtaa jo anodin viereltä. Pieni elektrolyytin ominasvastus tarkoittaa sitä, että virtaa ei kulu hukkaan liuosvastuksen voittamiseen. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 17

18 POTENTIAALI- JA VIRTAJAKAUMAT Pinnoitteen ominaisvastus [  cm 2 ] riippuu läpilyöntivastuksesta, paksuudesta ja virheiden lukumäärästä ja koosta. Se pienenee käytön aikana, kun pinnoite imee vettä ja kolhiutuu. Det Norske Veritas ja EN-standardit lähtevät siitä, että pinnoitteessa on paksuudesta ja kerrosten määrästä riippuen jokin määrä vaurioita ja vaurioiden määrä kasvaa lineaarisesti ajan mukana. Pinnoitteen on oltava kiinnipysyvä. Sen on kestettävä matalia potentiaaleja, ja niistä aiheutuvaa emäksistä ympäristöä ja mahdollisesti vedynkehitystä. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 18

19 POTENTIAALI- JA VIRTAJAKAUMAT Meriveden johtokyky pienenee, kun lämpötila ja suolapitoisuus laskevat. Murtoveden johtokyky voi olla vain 10% valtameren johtokyvystä. Tästä syystä uhrautuvia anodeja tarvitaan 5-10 kertainen määrä ja samalla usein anodimassa kasvaa 20- 25%. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 19

20 POTENTIAALI- JA VIRTAJAKAUMAT 17.3.2016 MT-0.6011, CP 20

21 POTENTIAALI- JA VIRTAJAKAUMAT 17.3.2016 MT-0.6011, CP 21

22 POTENTIAALI- JA VIRTAJAKAUMAT 17.3.2016 MT-0.6011, CP 22

23 SUOJAUS UHRAUTUVILLA ANODEILLA Dokumentointi: 1.Pinta-alat 2.Virrantarve (alku/loppu/keskimäärin) 3.Minimianodimassa 4.Anodivastus (alussa/lopussa) 5.Anodien minimimäärä 6.Anodimassa anodien määrän perusteella 7.Kokonaisvirta anodien määrän, koon ja tyypin perusteella 8.Anodien sijoittelu 17.3.2016 MT-0.6011, CP 23

24 SUOJAUS UHRAUTUVILLA ANODEILLA Lasketaan suojattavan rakenteen pinta-ala. Lasketaan virrantarve vaadittujen suojavirrantiheyksien avulla, DNV RP B401 liite A, taulukot 10-1…10-3 tai SFS-EN 12495 liite A. “Initial” ja “final” virrantiheyksien avulla lasketaan se, kykenevätkö anodit polarisoimaan rakenteen suojapotentiaaliin, eli syöttävätkö anodit tarpeeksi virtaa suojauksen käynnistämiseksi. “Maintenance/mean” virrantiheys on noin 50% “initial” virrantiheydestä ja sen avulla voidaan laskea tarvittava anodimassa. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 24

25 SUOJAUS UHRAUTUVILLA ANODEILLA Pinnoitteen vaikutus otetaan huomioon kertomalla virrantarve korjauskertoimella fc = a+bt, t = aika vuosissa. Kun fc = 0 pinnoite on täysin eristävä. Kun fc = 1 pinnoite ei suojaa lainkaan. Korjauskerroin lasketaan suojauksen suunnitellun käyttöiän alussa, puolivälissä ja lopussa. Kertoimet DNV RP B401, liite A, taulukko 10-4 tai SFS- EN 12495. liite A, kohta A-5. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 25

26 SUOJAUS UHRAUTUVILLA ANODEILLA Anodimateriaalin massa saadaan kertomalla keskimääräinen suojavirran tarve I cm [A] käyttötuntien määrällä sekä jakamalla se anodin hyötysuhteella η ja virransyöttökyvyllä  [Ah/kg]. Hyötysuhde saadaan DNV liitteestä A, taulukko 10-8. Hyötysuhde riippuu anodin muodosta. Virransyöttökyky saadaan joko valmistajan tiedoista tai liitteen A taulukosta 10-6. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 26

27 Yksittäisen anodin syöttämä virta saadaan jakamalla anodin potentiaalin ja suojapotentiaalin ero anodin vastuksella. I total lasketaan suojauksen alussa ja/tai lopussa rakenteen polarisointiin tarvittavasta virtamäärästä. Yksittäisen anodin syöttämä virta on laskettava sekä alku- että lopputilanteelle ottaen huomioon, että anodin kuluessa sen vastus kasvaa. SUOJAUS UHRAUTUVILLA ANODEILLA 17.3.2016 MT-0.6011, CP 27

28 SUOJAUS UHRAUTUVILLA ANODEILLA Anodin vastus riippuu sen koosta ja muodosta sekä ympäristön johtokyvystä. Anodin vastuksen laskentakaavat on annettu standardissa DNV RP B401 ja SFS-EN 12495 liite B. Alkutilanteessa vastus lasketaan anodin nimellismittojen avulla Lopputilanteessa tehdään oletukset anodin jäljellä olevasta tilavuudesta, josta saadaan massa ja mitat ja sovelletaan näitä anodivastuksen kaavaan. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 28

29 SUOJAUS UHRAUTUVILLA ANODEILLA Anodivastuksen kaavoja on useita, joissakin kaavoissa käytetään erityisiä merkintöjä tai tulkintoja: –S on anodin ympärysmitta –r on pyöreän anodin säde mutta myös ”efektiivinen säde” = S/2π. –DNV RP B401 taulukossa 10-7 ”long flush mounted”, S on anodin pituuden ja leveyden keskiarvo. –Taulukossa 10-7 ”Short flush-mounted, bracelet and other types”, pinta-ala A ei ole määritelty, mutta ilmeisesti ulkopinnan ala. –johtokyky ohm·m. –Käytetyn anodin arvoista on mainittu kohdassa 7.9. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 29

30 SUOJAUS UHRAUTUVILLA ANODEILLA 17.3.2016 MT-0.6011, CP 30

31 Yksittäisen anodin kapasiteetti, hyötysuhde η ja virransyöttökyky  [Ah/kg] Tarkistuslaskut kapasiteetille ja polarisointivirroille SUOJAUS UHRAUTUVILLA ANODEILLA 17.3.2016 MT-0.6011, CP 31

32 SUOJAUKSEN ULOTTUMINEN Yksittäisen anodin suojaama alue riippuu: -Suojavirrantiheydestä -Anodin syöttämästä virrasta -Pinnoitteen kunnosta (ominaisvastuksesta) -Ympäristön johtokyvystä Täsmällisiä kaavoja anodin suojaaman alueen laskemiseen ei ole. Approksimaatiota anodin suojaamalle alueelle on esitetty NACE työryhmän T-7L-16 raportissa “Design of galvanic anode cathodic protection systems for offshore structures”. 17.3.2016 MT-0.6011, CP 32

33 SUOJAUKSEN ULOTTUMINEN Suojattavan alan laskeminen anodin koon ja käyttöiän perusteella. A = pinta-ala [m 2 ] W = anodin massa [kg] k = anodin kulutus [kg/Ay] t = käyttöikä [vuosia] i m = ylläpitovirrantiheys [A/m 2 ] 17.3.2016 MT-0.6011, CP 33

34 Suojattavan alan laskeminen anodin toimintakäyrän S [Ωm 2 ] ja vastuksen perusteella. Suojattava ala on SUOJAUKSEN ULOTTUMINEN 17.3.2016 MT-0.6011, CP 34