ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΜΙΧΟΥ ΓΡΗΓΟΡΙΟΥ του ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6801 Θέμα «ΚΑΘΟΔΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΣΕ ΠΛΟΙΑ» Επιβλέπουσα ΕΠΙΚΟΥΡΗ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΠΥΡΓΙΩΤΗ Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Φεβρουάριος 2016

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «ΚΑΘΟΔΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΣΕ ΠΛΟΙΑ» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΜΙΧΟΥ ΓΡΗΓΟΡΙΟΥ του ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6801 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Η Επιβλέπουσα: Ο Διευθυντής του Τομέα: Πυργιώτη Ελευθερία Επίκουρη Καθηγήτρια Αλεξανδρίδης Αντώνιος Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «ΚΑΘΟΔΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΣΕ ΠΛΟΙΑ» Φοιτητής: Μίχος Γρηγόριος του Κωνσταντίνου Επιβλέπουσα: Επίκουρη Καθηγήτρια Ελευθερία Πυργιώτη Περίληψη Το αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η μελέτη των μεθόδων καθοδικής προστασίας και ο σχεδιασμός συστημάτων καθοδικής προστασίας στα πλοία, για την προστασία τους από την διάβρωση. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια σύντομη αναφορά στον ορισμό της διάβρωσης, ενώ αναφέρονται συνοπτικά οι μορφές διάβρωσης, οι παράγοντες που την επηρεάζουν και τα είδη διαβρωτικού περιβάλλοντος. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται οι ηλεκτροχημικές πτυχές της διάβρωσης και της καθοδικής προστασίας. Επίσης, σημειώνεται το εύρος των εφαρμογών της καθοδικής προστασίας και παρουσιάζονται οι παράγοντες που καθορίζουν την αποτελεσματική εφαρμογή της. Περιγράφεται η γενική βάση του σχεδιασμού για τα συστήματα καθοδικής προστασίας και αναφέρονται τα γενικά χαρακτηριστικά των υλικών και του εξοπλισμού. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται αναλυτικά η καθοδική προστασία του κύτους των πλοίων, των δεξαμενών αλλά και κατά τη διάρκεια της διαρρύθμισης και όταν είναι ακινητοποιημένα. Παρουσιάζονται τα μέτρα που πρέπει να λαμβάνονται για την σωστή λειτουργία και συντήρηση των συστημάτων καθοδικής προστασίας, καθώς και για την ασφάλεια του προσωπικού. Abstract This diploma thesis deals with the study of cathodic protection methods and design of cathodic protection systems on ships, to protect them from corrosion. Chapter 1 gives a brief reference to the definition of corrosion, while briefly mentioned forms of corrosion, the factors that affect and the kinds of corrosive environment. Chapter 2 presents the electrochemical aspects of corrosion and cathodic protection. It also noted the range of applications of cathodic protection and presents the factors which determine its effective application. It describes the general basis of design for cathodic protection systems and indicates the general characteristics of materials and equipment. Chapter 3 describes in detail the cathodic protection of ships' hulls, tanks and during fitted out or when stationary. Presented the measures to be taken to ensure the proper operation and maintenance of cathodic protection systems and for the safety of personnel.

6 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα την επιβλέπουσα καθηγήτριά μου κυρία Ελευθερία Πυργιώτη για την άψογη συνεργασία μας και την καθοδήγηση που μου παρείχε όσον αφορά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συμφοιτητές μου μου που με τις ιδέες τους βοήθησαν στην ολοκλήρωσητης εργασίας. Τέλος, θέλω να ευχαριστήσω την οικογένειά μου που με στήριξε καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου.

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Εισαγωγή Ορισμός της διάβρωσης [1] Μορφές διάβρωσης [1][9] Γενική ή ομοιόμορφη διάβρωση Διάβρωση κυττάρων συγκέντρωσης Γαλβανική διάβρωση Διάβρωση μέσω ρευμάτων διαφυγής Ρυθμός διάβρωσης [4][9] Ηλεκτρικοί παράγοντες Χημικοί παράγοντες Είδη διαβρωτικού περιβάλλοντος [9] Παθητικοποίηση των μετάλλων [23] Γαλβανική σειρά [8][23] ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΚΑΘΟΔΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Εισαγωγή Ιστορική αναδρομή [2] Κύτταρο διάβρωσης [9][23] Αρχές της καθοδικής προστασίας [3][22] Καθοδική προστασία μέσω θυσιαζόμενων (γαλβανικών) ανόδων [3][22] Τύποι θυσιαζόμενων ανόδων [5][7][15] Εγκατάσταση γαλβανικών ανόδων [10] Σύνδεση γαλβανικής ανόδου με δομή [9] Σταθμοί ελέγχου [9] Πλεονεκτήματα και περιορισμοί [5] Καθοδική προστασία μέσω εξωτερικού ρεύματος [3][22] Τύποι ανόδων εξωτερικού ρεύματος [5][9][20] Πηγές ρεύματος [9][20] Σταθμοί ελέγχου

8 2.6.4 Πλεονεκτήματα και περιορισμοί [5] Παραγοντες Σχεδιασμου Δυναμικό προστασίας [3][4] Πυκνότητα ρεύματος [3][22] Προστατευτικές επικαλύψεις [3][20] Ασβεστολιθική επίστρωση [3] Ηλεκτρική μόνωση [20] Ηλεκτρική συνέχεια [20] Εξασθένηση δυναμικού [22] Κίνδυνοι που πρέπει να αποφεύγονται [3] ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΚΑΘΟΔΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΣΕ ΠΛΟΙΑ Καθοδική προστασία του κύτους των πλοίων Παράγοντες που επηρεάζουν το σχεδιασμό [5] Προετοιμασία για καθοδική προστασία Αρχικές παράμετροι σχεδιασμού [5][6] Υπολογισμός ρεύματος προστασίας [11] Συστήματα γαλβανικών ανόδων Συστήματα εξωτερικού ρεύματος [5][6][12] Η προστασία του κύτους των πλοίων κατά τη διάρκεια της διαρρύθμισης και όταν είναι ακινητοποιημένα [5][6] Περίοδος διαρρύθμισης Καθοδική προστασία όταν το πλοίο είναι ακινητοποιημένο Η προστασία των δεξαμενών των πλοίων [5][[1[][12][17] Παράγοντες που επηρεάζουν το σχεδιασμό Προστατευτικές επικαλύψεις Πυκνότητα ρεύματος Σχεδιασμός ανόδων και συστήματος θυσιαζόμενων ανόδων Αρχικός έλεγχος, λειτουργία και συντήρηση [5][6] Σκοπός Διαδικασίες μέτρησης Μέτρα για την προστασία γειτονικών δομών [5] Αρχικός έλεγχος: συστήματα γαλβανικών ανόδων [5][6] Αρχικός έλεγχος: συστήματα εξωτερικού ρεύματος [5][6]

9 3.4.6 Λειτουργία και συντήρηση: γαλβανικά συστήματα [5][6] Λειτουργία και συντήρηση: συστήματα εξωτερικού ρεύματος [5][6] Λειτουργία και συντήρηση: δεξαμενές πλοίων [5] ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1.1 Εισαγωγή Τα μέταλλα εξαιτίας των πολύτιμων φυσικών ιδιοτήτων τους (σκληρότητα, αντοχή, ελατότητα, αντοχή στην τριβή, θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, κ.λ.π.), αποτελούν τα πλέον σημαντικά κατασκευαστικά υλικά. Οι βιομηχανικές εγκαταστάσεις καθώς και μεγάλος αριθμός άλλων έργων όπως γέφυρες, πλοία, αεροπλάνα κ.λ.π., είναι κατασκευασμένα κατά το μεγαλύτερο μέρος τους ή χρησιμοποιούνται σε αυτα μέταλλα ή κράματα. Η ορθή επιλογή των υλικών είναι βασική προυπόθεση για την επιτυχή κατασκευή. Για το λόγο αυτό, η πρόοδος της ανθρωπότητας εξαρτάται, σε μεγάλο βαθμό από την ορθολογική χρήση και διαχείρηση των κοιτασμάτων, για την παραγωγή των απαιτούμενων μετάλλων. Όμως, οι κατασκευές στις οποίες χρησιμοποιούνται μέταλλα, δεν είναι αναλλοίωτες στον χρόνο. Η υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων τους και η διάβρωσή τους ως συνέπεια της επίδρασης του περιβάλλοντος, αποτελούν τις πιο σημαντικές αιτίες καταστροφής των κατασκευών αυτών. Σε αντίθεση όμως με τις μηχανικές βλάβες, που συχνά επιδιορθώνονται, το φαινόμενο της διάβρωσης συχνά οδηγεί σε ολοκληρωτική αχρήστευση της κατασκευής. Η συμπεριφορά στην διάβρωση αποτελεί λοιπόν σημαντική παράμετρο στην επιλογή των υλικών για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Οι παράμετροι και τα κριτήρια επιλογής υλικών ταξινομούνται ως εξής: κόστος, μηχανικές ιδιότητες, συμπεριφορά στην διάβρωση (αντοχή), χαρακτηριστικά διαμόρφωσης (π.χ. ευκαμψία), αντοχη σε θερμική καταπόνηση, διαθεσιμότητα υλικού σε κατάλληλη μορφή, εμφάνιση/ όψη, ευκολία στην παραγωγική διαδικασία, συμβατότητα του υλικού με άλλα υλικά του συστήματος, θερμικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, ειδικές απαιτήσεις (π.χ. χαμηλή πυκνότητα υλικού, χρήση σε πυρηνικό αντιδραστήρα). Από την συσχέτιση κόστους και συμπεριφοράς στην διάβρωση προκύπτει τελικά η βέλτιστη μέθοδος προστασίας των υλικών. 1.2 Ορισμός της διάβρωσης [1] Με τον όρο «διάβρωση» εννοούμε την καταστροφή, φθορά ή και λειτουργική αχρήστευση ενός υλικού εξαιτίας χημικής, ηλεκτροχημικής ή μηχανικής δράσης του υλικού με το περιβάλλον του. Ο όρος δεν είναι μονοσήμαντος και αναφέρεται τόσο στο φαινόμενο της δράσης όσο και στο αποτέλεσμά της. Ο ορισμός που δόθηκε είναι πολύ γενικός. Συνήθως «διάβρωση» χρησιμοποιείται για μεταλλικά υλικά (καθαρά μέταλλα ή κράματα) και η αλλοίωση συμβαίνει κυρίως μέσω μιας ηλεκτροχημικής διαδικασίας. Τελευταία όμως χρησιμοποιείται και για τα πολυμερή ή και τα σύνθετα υλικά. Η από οποιαδήποτε αιτία φθορά ή αχρήστευση υλικών όπως το ξύλο, τα κεραμικά, το δέρμα, τα υφάσματα δεν χαρακτηρίζεται ως «διάβρωση». 4

11 1.3 Μορφές διάβρωσης [1][9] Οι μορφές διάβρωσης εξαρτώνται από το είδος του υλικού και από το είδος του διαβρωτικού περιβάλλοντος. Σε γενικές γραμμές μπορούμε να διακρίνουμε τις μορφές διάβρωσης με κριτήριο: το διαβρωτικό περιβάλλον (ατμοσφαιρική διάβρωση, βιολογική διάβρωση) το υλικό (διάβρωση σιδήρου, αλουμινίου) τη μορφολογία της προσβολής (ομοιόμορφη ή γενική διάβρωση, τοπική, με μορφή οπής, με βελονισμούς, σπηλαιώδης) τις ηλεκτροχημικές δράσεις (γαλβανική διάβρωση, διάβρωση με μηχανισμό οξυγόνου, διάβρωση με μηχανισμό υδρογόνου) την επιπλέον ύπαρξη μηχανικών τάσεων στο σύστημα ή τη παρουσία εσωτερικών τάσεων στο υλικό που οδηγεί σε ρωγμές (διάβρωση υπό μηχανική καταπόνηση) Στην περίπτωση των μετάλλων η διάβρωση είναι μια ηλεκτροχημική διαδικασία. Δηλαδή, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, όπου η ανταλλαγή των ηλεκτρονίων προκαλείται από τις χημικές αντιδράσεις σε μέρος του κυκλώματος. Αυτές οι χημικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στην επιφάνεια του μετάλλου που εκτίθεται στον ηλεκτρολύτη. Αντιδράσεις οξείδωσης (διάβρωση) εμφανίζονται στην επιφάνεια της ανόδου και αναγωγής συμβαίνουν στην επιφάνεια της καθόδου. Στην περίπτωση,λοιπόν, των μετάλλων υπάρχουν τέσσερις βασικοί τρόποι που μπορεί να γίνει η διάβρωση. Μέσω μιας χημικής αντίδρασης ή τριών γενικών τύπων ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Οι τρεις τύποι ηλεκτροχημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν εξαρτώνται από την αιτία της διαφοράς δυναμικού μεταξύ ανόδου και καθόδου. Αυτή η διαφορά δυναμικού μπορεί να προκαλείται από διαφορές στο περιβάλλον, στο μέταλλο, ή από εξωτερικές ηλεκτρικές πηγές συνεχούς ρεύματος. Οι τύποι της διάβρωσης είναι γενική ή ομοιόμορφη διάβρωση, διάβρωση κυττάρων συγκένρωσης (το ηλεκτροχημικό κύτταρο δημιουργείται από τις διαφορές στον ηλεκτρολύτη), γαλβανική διάβρωση (το ηλεκτροχημικό κύτταρο δημιουργείται από τις διαφορές στο μέταλλο), διάβρωση μέσω ρευμάτων διαφυγής (το ηλεκτροχημικό κύτταρο δημιουργείται από εξωτερικές ηλεκτρικές πηγές) Γενική ή ομοιόμορφη διάβρωση Αποτελεί το πιο κοινό είδος διάβρωσης. Χαρακτηρίζεται από μια χημική ή ηλεκτροχημική δράση που προχωράει ομοιόμορφα στο σύνολο ή στο μεγαλύτερο μέρος της εκτεθειμένης επιφάνειας. Στην επιφάνεια του μετάλλου ή κράματος δημιουργείται ένα ομοιόμορφο, περίπου ισοπαχές στρώμα προïόντων διάβρωσης. Επίσης, μπορεί να υπάρξει ομοιόμορφη διάλυση του μετάλλου στο διαβρωτικό περιβάλλον, αντί να σχηματιστεί στρώμα προïόντων Διάβρωση κυττάρων συγκέντρωσης Σε αυτόν τον τύπο διάβρωσης η διαφορά δυναμικού δημιουργείται από την διαφορά στις συγκεντρώσεις κάποιων συστατικών στον ηλεκτρολύτη. Οποιαδήποτε διαφορά μέσα στον ηλεκτρολύτη, με τον οποίο έρχεται σε επαφή ένα μέταλλο, δημιουργεί ξεχωριστές ανοδικές και καθοδικές περιοχές στο μέταλλο. Επίσης ένα μέταλλο μπορεί να βρίσκεται ταυτόχρονα μέσα σε δύο διαφορετικούς ηλεκτρολύτες και έτσι να αναπτύσσει διαφορετικά δυναμικά. Αυτή η διαφορά δυναμικού οδηγεί το 5

12 μέταλλο στο να δημιουργήσει ανοδικές και καθοδικές περιοχές. Το έδαφος είναι ένας συνδυασμός πολλών διαφορετικών στοιχείων. Υπάρχουν επίσης πολλοί διαφορετικοί τύποι εδαφών, αλλά ακόμα και ο ίδιος τύπος εδάφους μπορεί να ποικίλει σημαντικά εξαιτίας της διαφορετικής συγκέντρωσης κάποιων συστατικών του. Αυτές οι μεταβολές του εδάφους προκαλούν διαφορές δυναμικού στη μεταλλική επιφάνεια με αποτέλεσμα την ηλεκτροχημική διάβρωσή της. Τα υγρά τείνουν να είναι πιο ομοιόμορφα, αλλά μπορεί να διαφέρουν ως προς την συγκέντρωση κάποιων στοιχείων τους όπως το οξυγόνο, το οποίο μεταβάλλεται ανάλογα με το βάθος Γαλβανική διάβρωση Μεταξύ δύο διαφορετικών μετάλλων που είναι σε ηλεκτρική επαφή και βρίσκονται σε διαβρωτικό ή αγώγιμο περιβάλλον, εμφανίζεται διαφορά δυναμικού που παράγει ροή ηλεκτρονίων μεταξύ αυτών των μετάλλων, συνεπώς αναπτύσσεται γαλβανικό κύτταρο (το ένα μέταλλο λειτουργεί ως άνοδος και το άλλο ως κάθοδος). Αυτό έχει σαν συνέπεια την αύξηση της ταχύτητας διάβρωσης του λιγότερου ανθεκτικού μετάλλου (άνοδος) και τη μείωση της ταχύτητας του περισσότερο ανθεκτικού (κάθοδος). Στη διάβρωση αυτή ο λόγος των εμβαδών των επιφανειών ανόδου-καθόδου παίζει σημαντικό ρόλο στην έκταση του φαινομένου. Σχήμα 1.1 Γαλβανική διάβρωση [23] Η πιο εμφανής μορφή αυτής της διάβρωσης είναι όταν δύο διαφορετικά είδη μετάλλου βρίσκονται σε έναν ηλεκτρολύτη και συνδέονται μεταλλικά η βραχυκυκλώνονται με κάποιο τρόπο. Όλα τα μέταλλα αναπτύσσουν ένα δυναμικό και για κάθε ένα μέταλλο αυτό το δυναμικό είναι ξεχωριστό (π.χ. Πίνακας 1-1). Όταν δύο μέταλλα συνδέονται, το μέταλλο με το πιο θετικό δυναμικό είναι η άνοδος και αυτό με το πιο αρνητικό δυναμικό είναι η κάθοδος. Ένα μέταλλο είναι "ενεργό" όταν έχει υψηλό αρνητικό δυναμικό, δηλαδή είναι ανοδικό όταν συγκρίνεται με τα περισσότερα μέταλλα, ενώ είναι "ευγενές" όταν έχει χαμηλό αρνητικό δυναμικό, δηλαδή είναι καθοδικό συγκρινόμενο με τα άλλα μέταλλα. Η διάβρωση ανόμοιων μετάλλων είναι πιο σοβαρή όταν η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο μετάλλων είναι η μεγαλύτερη. Άλλες μορφές γαλβανικής διάβρωσης είναι όταν συνδυάζονται ανόμοια 6

13 κράματα ή όταν μικρές προσμίξεις ανακατεύονται με ένα μέταλλο, μπορούν να δράσουν είτε ανοδικά είτε καθοδικά ως προς αυτό. Μια άλλη περίπτωση είναι όταν μία περιοχή ενός μετάλλου έχει υψηλή θερμοκρασία γίνεται ανοδικη σε μία περιοχή του ίδιου μετάλλου με χαμηλότερη θερμοκρασία Διάβρωση μέσω ρευμάτων διαφυγής Ρεύματα διαφυγής ονομάζονται τα συνεχή ρεύματα που ακολουθούν δρόμο διαφορετικό από τον προβλεπόμενο. Τα ρεύματα διαφυγής εισέρχονται από μία περιοχή της μεταλλικής κατασκευής και εξέρχονται από μία άλλη με αποτέλεσμα τη δημιουργία ανοδικών και καθοδικών περιοχών. Η διάβρωση εμφανίζεται στα σημεία εξόδου των ρευμάτων από την κατασκευή. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μέταλλα είναι διαδρομές χαμηλής αντίστασης, σε σύγκριση με τους ηλεκτρολύτες, και το ρεύμα προτιμά τα μονοπάτια χαμηλής αντίστασης. Σημαντικό είναι να τονίσουμε ότι τα ρεύματα διαφυγής δεν είναι συνάρτηση της διαβρωτικότητας του περιβάλλοντος, δηλαδή ένα μέταλλο μπορεί να διαβρωθεί με τη μέθοδο αυτή, ακόμα και σε ένα ευνοïκό περιβάλλον. Τα ρεύματα αυτά μπορεί να προέρχονται από συστήματα καθοδικής προστασίας, ηλεκτρικούς υποσταθμούς, σιδηροδρόμους, διατάξεις συγκολλήσεων. Υψηλή τάση AC μπορεί επίσης να προκαλέσει ρεύματα διαφυγής, όπως στην περίπτωση που ένα τριφασικό σύστημα εναέριας μεταφοράς είναι παράλληλα σε ένα θαμμένο μεταλλικό αγωγό. Τέλος μια ειδική περίπτωση ρευμάτων διαφυγής είναι τα τελουρικά ρεύματα που προκύπτουν από την δραστηριότητα της θέσης του ήλιου. Αυτά τα ρεύματα προκαλούν προβλήματα, ιδίως πιο κοντά σε βόρειες και νότιες περιοχές του πλανήτη και κοντά στον ισημερινό. Σχήμα 1.2 Διάβρωση μέσω ρευμάτων διαφυγής λόγω γειτνίασης με ρευματοφόρο αγωγό 1.4 Ρυθμός διάβρωσης [4][9] Δεδομένου ότι το μεγαλύτερο μέρος της διάβρωσης είναι μια ηλεκτροχημική αντίδραση, οτιδήποτε μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα μιας χημικής αντίδρασης ή την ποσότητα της ροής του ρεύματος θα επηρεάσει και το ρυθμό της διάβρωσης. Ο νόμος του Ohm ισχύει για το ηλεκτρικό τμήμα του κυττάρου διάβρωσης. Ο ρυθμός της διάβρωσης είναι ευθέως ανάλογος με την ποσότητα του ρεύματος που ρέει στο ηλεκτροχημικό κύτταρο διάβρωσης. Διαφορετικά μέταλλα έχουν διαφορετικούς ρυθμούς διάβρωσης. Υπάρχουν δύο ειδών παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό της διάβρωσης. Οι ηλεκτρικοί παράγοντες, οι οποίοι επηρεάζουν την ποσότητα του ρεύματος που 7

14 ρέει σε ένα κύτταρο και οι χημικοί παράγοντες, που επηρεάζουν την ταχύτητα της χημικής αντίδρασης Ηλεκτρικοί παράγοντες Διαφορά δυναμικού. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά δυναμικού, ή η τάση, τόσο μεγαλύτερο είναι το δυναμικό της διάβρωσης. Αν η τάση διπλασιαστεί, και όλοι οι άλλοι παράγοντες παραμείνουν ίδιοι, η ποσότητα της διάβρωσης θα διπλασιαστεί επίσης. Ειδική αντίσταση του ηλεκτρολύτη. Η ειδική αντίσταση του ηλεκτρολύτη είναι συνήθως ένας πολύ σημαντικός παράγοντας στον καθορισμό του ρυθμού διάβρωσης. Είναι ένα χαρακτηριστικό του εδάφους ή του νερού (ηλεκτρολύτης), το οποίο δεν μπορούμε να ελέγξουμε. Η ειδική αντίσταση του ηλεκτρολύτη μετριέται σε ohm-cm και είναι αντιστρόφως ανάλογη με το ρεύμα. Έτσι εάν διπλασιαστεί, και όλοι οι άλλοι παράγοντες παραμείνουν ίδιοι, η ποσότητα της διάβρωσης θα μειωθεί στο μισό. Αντίσταση σύνδεσης. Η αντίσταση σύνδεσης της ανόδου και της καθόδου με τον ηλεκτρολύτη έχει τα ίδια αποτελέσματα με την ειδική αντίσταση του ηλεκτρολύτη, αφού και αυτές αποτελούν ένα μέτρο αντίστασης. Όσο μικρότερη είναι η αντίσταση, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα, άρα και η διάβρωση. Επικάλυψη της δομής. Η επικάλυψη μιας δομής συνήθως αυξάνει την αντίσταση της ανόδου και της καθόδου, αφού οι περισσότερες είναι διηλεκτρικές στη φύση (μη αγώγιμες) Χημικοί παράγοντες Θερμοκρασία. Η θερμοκρασία είναι μια πολύπλοκη εξωτερική μεταβολή και μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο στη διάβρωση. Γενικά αύξηση της θερμοκρασίας συνεπάγεται αύξηση της διάβρωσης, θεωρώντας ότι όλοι οι άλλοι παράγοντες παραμένουν σταθεροί. Μπορεί επίσης να καθορίσει αν συγκεκριμένες μορφές διάβρωσης θα ανάπτυχθούν. Ωστόσο, η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να μειώσει επαρκώς τη διαλυτότητα των αερίων, όπως το οξυγόνο σε έναν ηλεκτρολύτη, σε ακραίες καταστάσεις. Εάν συμβεί αυτό, η διάβρωση είναι πολύ πιθανόν να επιβραδυνθεί ή ακόμα και να σταματήσει. Το ph. Η ταχύτητα της διάβρωσης κατά κανόνα μεγαλώνει εφόσον το ph του διαβρωτικού περιβάλλοντος απομακρύνεται από το ουδέτερο σημείο. Συγκεκριμένα, σε όξινο διάλυμα επιταγχύνεται η χημική διάβρωση, ενώ σε αλκαλικό διάλυμα, η ταχύτητα της διάβρωσης μεγαλώνει επειδή μεγαλώνει η αγωγιμότητα, εκτός αν ευνοείται η δημιουργία προστατευτικού στρώματος οξειδίου, όπως συμβαίνει στο σίδηρο. 8

15 Σχήμα 1.3 Επίδραση του ph του ηλεκτρολύτη στο ρυθμό διάβρωσης [9] Υγρασία. Η υγρασία και οι βροχοπτώσεις επιταχύνουν τη διάβρωση. Είναι γνωστό ότι στη ξηρή ατμόσφαιρα η διάβρωση των μετάλλων ή κραμάτων έχει πολύ μικρή εξέλιξη. Αντίθετα παρουσία υγρασίας η ταχύτητα της αυξάνει σημαντικά. Διαλυμένο οξυγόνο. Υπάρχει άμεση συσχέτιση μεταξύ της ποσότητας διαλυμένου οξυγόνου και του ρυθμού διάβρωσης, ιδιαίτερα σε περιβάλλον θαλασσινού νερού. Η πυκνότητα ρεύματος που απαιτείται για να παρέχει προστασία είναι ανάλογη με το ρυθμό που διαχέεται διαλυμένο οξυγόνο στην επιφάνεια του μετάλλου. Η ποσότητα διαλυμένου οξυγόνου στο θαλασσινό νερό ποικίλλει αισθητά ανάλογα με το βάθος του νερού και τη γεωγραφική θέση και εφόσον η διαλυτότητά του είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και της αλατότητας, θα ποικίλλει και ανάλογα με την εποχή. Επικάλυψη της δομής. Η επικάλυψη μιας δομής μπορεί να επηρεάσει το ρυθμό μεταφοράς των ιόντων στην άνοδο και στην κάθοδο. Επιβράδυνση του ρυθμού μεταφοράς, αντιστοιχεί σε επιβράδυνση του ρυθμού διάβρωσης. Επίσης οι επικαλύψεις μιας δομής μπορούν να επηρεάσουν και άλλους περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως θερμοκρασία, ph και συγκέντρωση ιόντων. Ανομοιγένεια επιφάνειας. Έχει διαπιστωθεί πως κάθε ανομοιογένεια της επιφάνειας ενός μετάλλου ή κράματος επιτείνει την διάβρωση. Αυτό οφείλεται στη δημιουργία τοπικών γαλβανικών στοιχείων. Η ανομοιογένεια μπορεί να οφείλεται σε διαφορετικούς παράγοντες όπως: από κόκκους άμμου(από την αμμοβολή που γίνεται για τον καθαρισμό μιας επιφάνειας), από οποιαδήποτε άλλο υλικό ή ακαθαρσία, από ρύπανση από τη θάλασσα, από διαφοροποιήσεις τη χημικής σύστασης. Συγκέντρωση ηλεκτρονίων. Υψηλές συγκεντρώσεις ελεύθερων ηλεκτρονίων στον ηλεκτρολύτη γύρω από την κάθοδο μπορούν να αναστείλλουν τη διάβρωση, ενώ αντίθετα χαμηλές συγκεντρώσεις να αυξήσουν τον ρυθμό της. 1.5 Είδη διαβρωτικού περιβάλλοντος [9] Το περιβάλλον της διάβρωσης διακρίνεται στις εξής κατηγορίες: Ατμοσφαιρικός αέρας: Η διαβρωτική του δράση οφείλεται κυρίως την υγρασία και το οξυγόνο που περιέχεται σε αυτόν, ενώ ενισχύεται με την παρουσία ρυπαντικών αερίων, όπως θειούχα και νιτρικά οξείδια, διοξείδιο του άνθρακα κλπ. 9

16 Έδαφος: Η διάβρωση στο έδαφος οφείλεται στην υγρασία του χώματος, στην οξύτητα και τα διαλυμένα άλατα, στην ηλεκτρική αγωγιμότητα, καθώς και στα βακτήρια ή διάφορους άλλους μικροοργανισμούς που μπορεί να υπάρχουν. Υδάτινο περιβάλλον: Τα υδάτινα περιβάλλοντα μπορούν να χωριστούν σε καθαρό και θαλασσινό νερό. Η διαβρωτικότητα του κάθε ύδατος εξαρτάται από την ηλεκτρική αγωγιμότητα, τη συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου, τα διαλυμένα άλατα, τη θερμοκρασία και το ph, την ταχύτητα ροής, και την παρουσία διάφορων βιολογικών οργανισμών. Το θαλασσινό νερό διακρίνεται από το καθαρό γιατί έχει ιδιαίτερα υψηλή αγωγιμότητα και αυξημένη περιεκτικότητα σε άλας, περίπου 3.5%. Χημικό περιβάλλον: Η διαβρωτικότητα του οφείλεται στις χημικές ουσίες (ανόργανες και οργανικές) που περιέχει και οι οποίες δρουν διαβρωτικά ανάλογα με τις επιφάνειες που έρχονται σε επαφή. Επίσης εξαρτάται από τη θερμοκρασία, την πίεση και την ταχύτητα ροής. Όξινο περιβάλλον: Παρουσιάζεται κυρίως σε βιομηχανικές περιοχές που περιλαμβάνουν οξέα στις διάφορες διεργασίες. Αλκαλικό περιβάλλον: Αποτελεί το πιο ήπιο περιβάλλον διάβρωσης. 1.6 Παθητικοποίηση των μετάλλων [23] Ορισμένα προϊόντα της διάβρωσης μπορούν να αποτελέσουν ένα αποτελεσματικό φράγμα που εμποδίζει επιπλέον οξειδωτικά να φτάσουν σε μια μεταλλική επιφάνεια, σταματώντας τη διάβρωση. Τα εν λόγω προστατευτικά προϊόντα της διάβρωσης ονομάζονται παθητικές ταινίες, και η μεταλλική επιφάνεια λέγεται ότι είναι αδρανοποιημένη. Παθητικοποίηση, δηλαδή, είναι η δημιουργία ενός λεπτού προστατευτικού στρώματος στην επιφάνεια του μετάλλου συνήθως οξειδίου,πάχους μικρότερου των 30 Armstrong, το οποίο όμως είναι πολύ ευαίσθητο στις μεταβολές των περιβαλλοντικών συνθηκών και έτσι μπορεί να καταστραφεί εύκολα. Στην παθητική κατάσταση ο ρυθμός διάβρωσης του μετάλλου είναι πολύ χαμηλός. Ο σίδηρος, το χρώμιο, το τιτάνιο και κράματα που περιέχουν σημαντικές ποσότητες αυτών των στοιχείων επιδεικνύουν παθητική συμπεριφορά. 1.7 Γαλβανική σειρά [8][23] Τα μέταλλα και τα κράματα έχουν διαφορετικά δυναμικά σε έναν συγκεκριμένο ηλεκτρολύτη, όπως επίσης και ένα μέταλλο έχει διαφορετικό δυναμικό σε διαφορετικούς ηλεκτρολύτες. Χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς, η τιμή του δυναμικού οποιουδήποτε μετάλλου σε οποιονδήποτε ηλεκτρολύτη μπορεί να καταγραφεί και να συγκριθεί με άλλων μετάλλων. Ένας πίνακας με τέτοιες μετρήσεις ονομάζεται γαλβανική σειρά. Το δυναμικό ενός μετάλλου σε σχέση με το ηλεκτρόδιο αναφοράς θα καθορίσει τη θέση του στον πίνακα. Κάθε τέτοιος πίνακας πρέπει να προσδιορίζει το ηλεκτρόδιο αναφοράς που έχει χρησιμοποιηθεί για να γίνουν οι μετρήσεις και τον ηλεκτρολύτη μέσα στον οποίο βρίσκεται. Στην συνέχεια αυτή η 10

17 σειρά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καθορίσει πιο ηλεκτρόδιο θα είναι η άνοδος σε ένα ηλεκτροχημικό κύτταρο διάβρωσης. Για να χρησιμοποιηθεί ένα ηλεκτρόδιο ως ηλεκτρόδιο αναφοράς, θα πρέπει να καθοριστεί το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένο και ο ηλεκτρολύτης μέσα στον οποίο βρίσκεται. Το πρότυπο ηλεκτρόδιο υδρογόνου είναι το βασικό ηλεκτρόδιο αναφοράς με το οποίο συγκρίνονται όλα τα άλλα, όμως είναι δύσκολο στη χρήση, δεν είναι πολύ ανθεκτικό, και χρησιμοποιείται συνήθως στο εργαστήριο. Τα ηλεκτρόδια αναφοράς αποτελούνται συνήθως από ένα μέταλλο που περιβάλλεται από ένα πρότυπο διάλυμα σε έναν πλαστικό σωλήνα και έχει ένα πορώδες βύσμα στην άκρη. Αν και είναι αρκετά σταθερά, θα πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα ώστε να μην μολύνονται και να ελέγχεται η θερμοκρασία τους, ή να αντισταθμίζονται τυχόν διακυμάνσεις σε αυτήν. Σε δοκιμές στο έδαφος ή σε γλυκό νερό χρησιμοποιείται πιο συχνά ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς χαλκού / θεϊικού χαλκού. Σε θαλασσινό νερό χρησιμοποιείται ηλεκτρόδιο αναφοράς αργύρου / χλωριούχου αργύρου. Επιπλέον, ο ψευδάργυρος, συνήθως μέσα σε μια χημική επίχωση, χρησιμοποιείται μερικές φορές ως αναφορά ιδιαίτερα όταν υπάρχει ανάγκη για μια μόνιμη παρουσία ηλεκτροδίου αναφοράς. Ο Πίνακας 1-1 παρουσιάζει τα δυναμικά διαφόρων μετάλλων και κραμάτων σε θαλασσινό νερό χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδιο αναφοράς αργύρου / χλωριούχου αργύρου. 11

18 ΠΙΝΑΚΑΣ 1-1 Γαλβανικη σειρα των μεταλλων σε θαλασσινο νερο με αναφορα ηλεκτροδιο αργυρου / χλωριουχου αργυρο [8] (ANODIC OR LEAST NOBLE) CORROSION-POTENTIAL RANGE IN mv Magnesium and Magnesium Alloys to 1630 Zinc -980 to 1030 Aluminum Alloys -760 to 1000 Cadmium -700 to 730 Mild Steel -600 to 710 Wrought Iron -600 to 710 Cast Iron -600 to Stainless Steel, Type 304 (active in still water) -460 to 580 Ni-Resist -460 to 580 Aluminum Bronze (92% Cu, 8% Al) -310 to -420 Tin -310 to 330 Copper -300 to Lead- Tin Solder -280 to 370 Admiralty Brass (71% Cu, 28% Zn, 1% Sn) -280 to 360 Aluminum Brass (76% Cu, 22% Zn, 2% Al) -280 to % Chromium Stainless Steel, Type 410 (passive) -260 to 350 Copper Nickel (90% Cu, 10% Ni) -210 to 280 Copper Nickel (75% Cu, 20% Ni, 5% Zn) -190 to 250 Lead -190 to 250 Copper Nickel (70% Cu, 30% Ni) -180 to 230 Nickel to Stainless Steel, Type 304 (passive) -50 to 100 Titanium -50 to +60 Platimium +190 to +250 Graphite +200 to +300 (CATHODIC OR MOST NOBLE) 12

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΚΑΘΟΔΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ 2.1 Εισαγωγή Η καθοδική προστασία είναι μια ηλεκτροχημική μέθοδος που χρησιμοποιείται για την πρόληψη ή τον έλεγχο της διάβρωσης των μεταλλικών δομών σε ηλεκτρολύτες όπως το έδαφος ή το νερό. Το κύριο πλεονέκτημά της έναντι άλλων μορφών πρόληψης της διάβρωσης είναι ότι εφαρμόζεται απλά με τη διατήρηση ενός DC κυκλώματος και η αποτελεσματικότητά της μπορεί να ελέγχεται συνεχώς. Μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα λεγόμενα μηχανικά μέταλλα, αλλά πιο συχνά χρησιμοποιείται για την προστασία των σιδηρούχων υλικών, και κυρίως τον ανθρακούχο χάλυβα. Έχει ευρεία εφαρμογή σε υπόγειους αγωγούς, και χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο ως ένας οικονομικός τρόπος ελέγχου της διάβρωσης σε βυθιζόμενες και ενταφιασμένες κατασκευές όπως δεξαμενές αποθήκευσης νερού, φράγματα, πασσάλους χάλυβα, υπόγειες δεξαμενές αποθήκευσης αλλά και κύτη πλοίων και γέφυρες. 2.2 Ιστορική αναδρομή [2] Η καθοδική προστασία περιγράφεται πρώτη φορά από τον Sir Humphry Davy σε μία σειρά εγγράφων που παρουσιάστηκαν στην Βασιλική Κοινωνία (Royal Society) στο Λονδίνο το Οι συμβουλές του Davy είχαν ζητηθεί από το Βασιλικό Ναυτικό στην διερεύνηση της διάβρωσης των φύλλων χαλκού που χρησιμοποιούνταν για την επένδυση στο ξύλινο σκαρί των πολεμικών πλοίων. Ο Davy διαπίστωσε ότι μπορούσε να μειώσει δραματικά τον ρυθμό διάβρωσης του χαλκού στο θαλασσινό νερό με την προσκόλληση μικρών ποσοτήτων σιδήρου, ψευδαργύρου ή κασσιτέρου. Ο χαλκός έγινε, όπως ο Davy το έθεσε, «καθοδικά προστατευμένος». Η πρώτη εγκατάσταση σε σκάφος εφαρμόστηκε στην φρεγάτα HMS Σάμαρανγκ το Τέσσερις ομάδες από ανόδους ψευδαργύρου είχαν τοποθετηθεί και επιτεύχθηκε σχεδόν τέλεια προστασία του χαλκού. Το σύστημα ήταν τόσο αποτελεσματικό, ώστε η πρόληψη της διάβρωσης του χαλκού είχε ως αποτέλεσμα την απώλεια των ιόντων χαλκού τα οποία λειτουργούν ως τοξικά για τους θαλάσσιους όγκους, και οδήγησε σε αυξημένη θαλάσσια ρύπανση του κύτους. Δεδομένου ότι αυτό οδήγησε σε μερική απώλεια της απόδοσης του σκάφους αλλά και μείωσης του αεροδυναμικού του σχήματος, το ενδιαφέρον για καθοδική προστασία εξασθένισε. Η ευεργετική δράση των ιόντων χαλκού στην πρόληψη της ρύπανσης κρίθηκε πιο σημαντική από την πρόληψη της καταστροφής του μανδύα του πλοίου και έτσι το Βασιλικό Ναυτικό αποφάσισε ότι ήταν προτιμότερο να αφήσουν τον χαλκό να διαβρωθεί. Οι έρευνες του Sir Humphry Davy συνεχίστηκαν μετά το θάνατο του από τον μαθητή του Michael Faraday, ο οποίος ανακάλυψε μια ποσοτική σχέση μεταξύ της μάζας του μετάλλου που χάνεται εξαιτίας της διάβρωσης και του ηλεκτρκού 13

20 ρεύματος που το διαρρέει. Στη συνέχεια ο Thomas Edison ασχολήθηκε με την εφαρμογή καθοδικής προστασίας μέσω εξωτερικής πηγής σε πλοία το 1890, όμως οι προσπάθειες του απέτυχαν εξαιτίας της έλλειψης εύρεσης κατάλληλης εξωτερικής πηγής και υλικών που να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν άνοδοι. Η πιο ταχεία ανάπτυξη της καθοδικής προστασίας έγινε στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής και από το 1945, η μέθοδος καθιερώθηκε για να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις της ταχέως αναπτυσσόμενης βιομηχανίας πετρελαίου και φυσικού αερίου, που ήθελαν να επωφεληθούν από τα πλεονεκτήματα της χρήσης σωλήνων από χάλυβα για υπόγεια μεταφορά. Η αυξημένη χρήση της καθοδικής προστασίας στη σύγχρονη εποχή έχει προκύψει, εν μέρει, από την αρχική επιτυχία της μεθόδου που χρησιμοποιήθηκε από το 1952 και μετά για να προστατεύσει περίπου 1000 χιλιόμετρα δικτύου καυσίμων, από τη εποχή του πολέμου. Η μέθοδος έχει πλέον εδραιωθεί και χρησιμοποιείται σε μια ευρεία ποικιλία βυθιζόμενων και ενταφιασμένων εγκαταστάσεων και υποδομών, καθώς και οπλισμένου σκυροδέματος, για να παρέχει έλεγχο της διάβρωσης. 2.3 Κύτταρο διάβρωσης [9][23] Το κύτταρο διάβρωσης είναι ένας τρόπος απεικόνισης των διαφόρων διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της διάβρωσης. Τα στοιχεία ενός κυττάρου διάβρωσης φαίνονται στο Σχήμα 2.1. Τα βασικά συστατικά του είναι: Άνοδος Κάθοδος Ένας ηλεκτρολύτης για την ροή ιόντων μεταξύ των ηλεκτροδίων Μια εξωτερική μεταλλική διαδρομή για την ροή ρεύματος μεταξύ αυτών των ηλεκτροδίων Ηλεκτροχημική διάβρωση συμβαίνει μόνο όταν και τα τέσσερα αυτά συστατικά είναι παρόντα. Σχήμα 2.1 Κύτταρο Διάβρωσης [23] Το κύτταρο διάβρωσης περιέχει την οξείδωση και την αναγωγή που συμβαίνουν ταυτόχρονα, αλλά σε χωριστές θέσεις. Οι ανοδικές τοποθεσίες όπου 14

21 κυρίως η οξείδωση λαμβάνει χώρα ονομάζονται άνοδοι και είναι αυτές στις οποίες συμβαίνει η διάβρωση. Οι καθοδικές περιοχές όπου κατά κύριο λόγο η αναγωγή λαμβάνει χώρα ονομάζονται κάθοδοι και σε αυτές συμβαίνει η προστασία. Ως αποτέλεσμα των διαφορετικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε αυτές τις ξεχωριστές περιοχές, οι άνοδοι και οι κάθοδοι δημιουργούν μια διαφορά δυναμικού ή τάσης μεταξύ τους. Δεδομένου ότι αυτά τα ηλεκτρόδια είναι στον ίδιο ηλεκτρολύτη, το μοντέλο αυτό δημιουργεί μια μπαταρία εκτός από τη διαδικασία διάβρωσης. Ρεύμα μπορεί να περάσει μόνο όταν οι άνοδοι και οι κάθοδοι συνδέονται από μια διαδρομή μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αυτή η διαδρομή των ηλεκτρονίων δημιουργείται είτε από την άμεση επαφή των ανόδων και καθόδων είτε, εάν αυτές βρίσκονται σε απόσταση, από την σύνδεσή τους με ένα εξωτερικό καλώδιο ή κάτι παρόμοιο. Τα κύτταρα διάβρωσης στα οποία μικροσκοπικές άνοδοι και κάθοδοι βρίσκονται σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους ονομάζονται μικροκύτταρα. Ομοίως, μεγαλύτερα διακριτά κύτταρα μπορούν να υπάρχουν και να αναπτύξουν μια διαφορά τάσεως. Αυτά συχνά αναφέρονται ως μακροκύτταρα. Οι αντιδράσεις στις ανοδικές και καθοδικές θέσεις αλλάζουν την περιβάλλουσα χημεία και μπορουν να επηρεάσουν τη διάβρωση. Οι αλλαγές αυτές αντανακλώνται επίσης στη διαφορά τάσης μεταξύ των ανόδων και καθόδων. 2.4 Αρχές της καθοδικής προστασίας [3][22] Η διαδικασία της διάβρωσης είναι στην ουσία μια ηλεκτροχημική διαδικασία η οποία λαμβάνει χώρα παρουσία ηλεκτρολύτη και περιλαμβάνει την διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος. Οι ανοδικές και καθοδικές αντιδράσεις πρέπει να συμβαίνουν ταυτόχρονα κατά την διάρκεια της διάβρωσης. Η γενική μορφή της ανοδικής αντίδρασης για ένα οποιοδήποτε μέταλλο είναι η εξής Μ Μ + + e - (μέταλλο) (διαλυτό άλας) (ηλεκτρόνιο) Οι ανοδικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν την οξείδωση του μετάλλου σε ιόντα του και την απελευθέρωση ηλεκτρονίων, π.χ. για το χάλυβα ισχύει η ακόλουθη αντίδραση Fe Fe e - (2.1) Η ανοδική αντίδραση παράγει ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία κινούνται μέσα στο μέταλλο και καταλήγουν σε κάποιο άλλο σημείο της επιφάνειας του (κάθοδος), όπου καταναλώνονται από την καθοδική αντίδραση O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - (2.2) Σε όξινα διαλύματα, όπου τα ιόντα υδρογόνου (H + ) είναι σε αφθονία, συμβαίνει η ακόλουθη αντίδραση 2Η + + 2e - H 2 (2.3) 15

22 Η άνοδος και η κάθοδος μπορούν να βρίσκονται σε κοντινή απόσταση πάνω στην επιφάνεια ενός μετάλλου ή σε δύο διαφορετικά μέταλλα τα οποία είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους, δημιουργώντας ένα διμεταλλικό ζεύγος. Όλα τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται στην ανοδική αντίδραση καταναλώνονται στην καθοδική, δηλαδή δεν υπάρχει περίσσεια ή έλλειμα. Οι ανοδικές και καθοδικές αντιδράσεις παρουσιάζονται στο Σχήμα 2.2, όπου η άνοδος και η κάθοδος βρίσκονται σε διαφορετικά μέταλλα. Σχήμα 2.2 Διμεταλλική διάβρωση [2] Μπορούμε να αλλάξουμε τον ρυθμό των δύο αυτών αντιδράσεων αποσύροντας ή παρέχοντας επιπλέον ηλεκτρόνια στην επιφάνεια του μετάλλου. Πρόκειται για μια βασική αρχή της χημείας, ότι αν επέλθει μεταβολή σε έναν από τους παράγοντες βάσει των οποίων ένα σύστημα είναι σε ισορροπία, το σύστημα θα τείνει να προσαρμοστεί έτσι ώστε να ακυρωθεί, στο μέτρο του δυνατού, το αποτέλεσμα αυτής της μεταβολής. Έτσι, αν αποσύρουμε ηλεκτρόνια από την επιφάνεια του μετάλλου ο ρυθμός της αντίδρασης (2.1) θα αυξηθεί, για να επιχειρήσει να αντισταθμίσει τη δράση μας, ενώ ο ρυθμός της αντίδρασης (2.2) θα μειωθεί. Συνάγεται ότι ο ρυθμός κατανάλωσης του μετάλλου θα αυξηθεί. Αντιθέτως, αν παρέχουμε πρόσθετα ηλεκτρόνια από μια εξωτερική πηγή προς την επιφάνεια του μετάλλου, ο ρυθμός της αντίδρασης (2.1) θα μειωθεί, επιβραδύνοντας την διάλυση του μετάλλου και ο ρυθμός της αντίδρασης (2.2) θα αυξηθεί. Η τελευταία περίπτωση είναι η βασική αρχή της καθοδικής προστασίας. Έτσι, για την πρόληψη της διάβρωσης θα πρέπει να συνεχίσουμε να παρέχουμε ηλεκτρόνια στο μέταλλο από μια εξωτερική πηγή για να ικανοποιήσουμε τις απαιτήσεις της καθοδικής προστασίας. Σημειώνετε επίσης ότι η ανοδική και καθοδική διαδικασία είναι άρρηκτα συνδεδεμένες, δηλαδή αύξηση του ρυθμού της ανοδικής διαδικασίας θα επιφέρει ταυτόχρονη μείωση του ρυθμού της καθοδικής. Αυτές οι αρχές μπορούν να παρουσιαστούν σε ένα πιο ποσοτικό τρόπο με γραφική παράσταση του δυναμικού του μετάλλου έναντι του λογαρίθμου του ρυθμού της ανοδικής και καθοδικής αντίδρασης, εκφραζόμενοι και οι δύο ως πυκνότητες ρεύματος. Τυπικές ανοδικές και καθοδικές καμπύλες απεικονίζονται στο διάγραμμα πόλωσης (Σχήμα 2.3). Έτσι, στο Ε α το καθαρό ποσοστό της ανοδικής αντίδρασης είναι μηδέν και αυξάνεται όσο το δυναμικό γίνεται πιο θετικό. Στο Ε c το καθαρό 16

23 ποσοστό της καθοδικής αντίδρασης είναι μηδέν και αυξάνεται καθώς το δυναμικό γίνεται πιο αρνητικό. Το ρεύμα διάβρωσης, I corr, και το δυναμικό διάβρωσης, E corr, συμβαίνουν στο σημείο τομής της ανοδικής και καθοδικής καμπύλης, δηλαδή όταν ο ρυθμός της ανοδικής και καθοδικής αντίδρασης είναι ίσος. Σε αυτήν την περίπτωση ο ρυθμός απελευθέρωσης ηλεκτρονίων ισούται με το ρυθμό κατανάλωσης ηλεκτρονίων, και δε υπάρχει καμία καθαρή ροή ρεύματος. Σχήμα 2.3 Διάγραμμα πόλωσης παρουσάζει την ανοδική και καθοδική αντίδραση [22] Για να διατηρείται το μέταλλο σε οποιαδήποτε δυναμικό πλην του E corr θα πρέπει να παρέχονται ή να αποσύρονται ηλεκτρόνια από την επιφάνεια του μετάλλου. Για παράδειγμα, στο Ε ο ρυθμός της καθοδικής αντίδρασης, Ι' c, υπερβαίνει το ρυθμό της ανοδικής αντίδρασης, Ι' α, και η τελευταία δεν παρέχει αρκετά ηλεκτρόνια για να ικανοποιήσει την πρώτη. Αν το μέταλλο πρέπει να διατηρείται στο Ε, το έλλειμα των ηλεκτρονίων που δίνεται από την ( Ι' c Ι' α ) πρέπει να παρέχεται από μια εξωτερική πηγή. Αυτό το εξωτερικό ρεύμα χρησιμεύει για την μείωση του ρυθμού διάλυσης του μετάλλου από το I corr στο Ι' α. Στο Ε α το καθαρό ποσοστό της ανοδικής αντίδρασης είναι μηδέν (δεν υπάρχει διάλυση μετάλλου) και ένα καθοδικό ρεύμα ίσο με Ι c πρέπει να είναι διαθέσιμο από την εξωτερική πηγή για την διατήρηση του μετάλλου σε αυτό το δυναμικό. Εάν το δυναμικό μειωθεί σε Ε'' το ρεύμα που θα απαιτηθεί απο την εξωτερική πηγή θα αυξηθεί σε Ι'' c. Περαιτέρω προστασία του μετάλλου, όμως, είναι ασήμαντη και το επιπλέον ρεύμα που παρέχεται θεωρείται σπατάλη, αφού δεν επιτυγχάνεται όφελος από την άποψη της απώλειας του μετάλλου. Σε αυτήν την περίπτωση το μέταλλο λέμε ότι είναι υπέρ-προστατευμένο. Ενώ υπάρχουν μια σειρά από καθοδικές αντιδράσεις που μπορούν να προκαλέσουν τη διάβρωση ενός μετάλλου (δεδομένου ότι για να είναι καθοδικά αντιδρών ένα συγκεκριμένο στοιχείο πρέπει απλά να δράσει ως οξειδωτικός παράγοντας προς το μέταλλο), το πιο καθοδικά αντιδρών συστατικό που υπάρχει σε φυσικά περιβάλλοντα είναι το οξυγόνο. Για αυτό το λόγο η αντίδραση αναγωγής του τονίζεται εδώ. Επειδή το οξυγόνο δεν είναι πολύ διαλυτό σε υδατικά διαλύματα (π.χ. 17

24 περίπου 10 ppm σε ψυχρό θαλασσινό νερό) ο ρυθμός με τον οποίο μπορεί να διαχυθεί στην επιφάνεια του μετάλλου είναι πιο αργός από το ρυθμό κατανάλωσης του στην καθοδική αντίδραση. Ο ρυθμός της καθοδικής αντίδρασης, δηλαδή, δεν αυξάνει καθώς το δυναμικό του μετάλλου γίνεται πιο αρνητικό, αλλά παραμένει σταθερός εκτός εάν ο ρυθμός παροχής του οξυγόνου στην επιφάνεια του μετάλλου αυξηθεί, για παράδειγμα αν αυξηθεί ο ρυθμός ροής του ρευστού. Η ταχύτητα της καθοδικής αντίδρασης ελέγχεται έτσι από το ρυθμό άφιξης του οξυγόνου στην επιφάνεια του μετάλλου και αυτό απεικονίζεται στο Σχήμα 2.4. Οι τιμές E corr και I corr είναι μικρότερες από τις αντίστοιχες τιμές στην προηγούμενη περίπτωση (διακεκομμένη γραμμή). Σχήμα 2.4 Επίδραση της αναγωγής του οξυγόνου στην ανοδική και καθοδική αντίδραση [22] Επειδή το οξυγόνο είναι ένα μη φορτισμένο είδος, ο ρυθμός της άφιξης δεν επηρεάζεται από το επικρατών ηλεκτρικό πεδίο, αλλά μόνο από την τοπική συγκέντρωση οξυγόνου. Αν η καθοδική αντίδραση πραγματοποιείται τόσο γρήγορα ώστε η διεπιφανειακή συγκέντρωση οξυγόνου να μειώνεται στο μηδέν (δηλαδή το οξυγόνο καταναλώνεται αμέσως μόλις φτάνει στην επιφάνεια), η συγκέντρωση οξυγόνου στην επιφάνεια φτάνει σε ένα μέγιστο όριο και η ταχύτητα της αντίδρασης σε μια οριακή τιμή. Μόνο μια αύξηση της συγκέντρωσης του οξυγόνου ή μια αύξηση στην ταχύτητα ροής θα επιτρέψει αύξηση της οριακής τιμής. Επομένως, η πυκνότητα του ρεύματος που απαιτείται για να διατηρηθεί το σωστό δυναμικό προστασίας θα ποικίλει ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν. Τέλος, είναι δυνατόν σε αλκαλικά διαλύματα το νερό να λειτουργήσει ως καθοδικά αντιδρών συστατικό με το σχηματισμό αλκαλίων και υδρογόνου 2H 2 O + 2e - H 2 + 2OH - (2.4) Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.5, αν η δομή είναι υπέρ-προστατευμένη και το δυναμικό μειωθεί αρκετά, η αναγωγή του νερού (αντίδραση 2.4) μπορεί να λάβει χώρα. Το ρεύμα που παρέχεται από την εξωτερική πηγή σε οποιοδήποτε δυναμικό για 18

25 την επίτευξη καθοδικής προστασίας, πρέπει να είναι επαρκές για να διατηρηθεί η συνολική καθοδική αντίδραση, δηλαδή η αντίδραση αναγωγής του οξυγόνου και η αντίδραση έκλυσης υδρογόνου. Επομένως από το Σχήμα 2.5 βλέπουμε ότι η μείωση του δυναμικού από Ε α σε Ε'' θα αυξήσει το ρεύμα που απαιτείται από την εξωτερική πηγή. Σχήμα 2.5 Επίδραση της έκλυσης υδρογόνου στο δυναμικό διάβρωσης [22] Η βασική αρχή, λοιπόν, της καθοδικής προστασίας είναι η σύνδεση μιας εξωτερικής ανόδου στο μέταλλο που πρόκειται να προστατευθεί και η διέλευση ενός συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος, έτσι ώστε όλες οι περιοχές της μεταλλικής επιφάνειας να καταστούν καθοδικές και συνεπώς να μην διαβρώνονται. Η εξωτερική άνοδος μπορεί να είναι ένα ενεργό μέταλλο, όπου το ρεύμα είναι αποτέλεσμα της διαφοράς δυναμικού των δύο μετάλλων, ή μπορεί να γίνει απ ευθείας σύνδεση με μια εξωτερική πηγή παροχής συνεχούς ρεύματος. Η καθοδική προστασία μπορεί να επιτευχθεί με δύο μεθόδους: - Με θυσιαζόμενες (γαλβανικές) ανόδους - Με εξωτερικό ρεύμα 2.5 Καθοδική προστασία μέσω θυσιαζόμενων (γαλβανικών) ανόδων [3][22] Στα συστήματα γαλβανικών ανόδων χρησιμοποιούνται ενεργά μέταλλα σαν βοηθητικές άνοδοι και το ρεύμα που απαιτείται για την καθοδική προστασία παρέχεται από την διάβρωσή τους. Τα συστήματα αυτά βασίζονται στις διαφορές δυναμικού που αναπτύσσονται σε διαφορετικά μέταλλα ή κράματα από τις αντιδράσεις διάβρωσης. Προκειμένου να αντιληφθούμε πως λειτουργεί αυτό το σύστημα θα πρέπει να έχουμε υπ όψιν μας την γαλβανική σειρά (Πίνακας 1-1). Για παραδειγμα, η διαφορά δυναμικού του σιδήρου ως προς το ηλεκτρόδιο αναφοράς αργύρου / χλωριούχου αργύρου είναι μεταξύ -0.4V και -0.6V, ενώ του ψευδαργύρου αναφερόμενη στο ίδιο ηλεκτρόδιο είναι περίπου -1.0V. Αν τα δύο μέταλλα είναι 19

26 ηλεκτρικά συνδεδεμένα, η διαφορά δυναμικού μεταξύ σιδήρου και ψευδαργύρου έιναι περίπου 0.4V μέχρι 0.6V, και η διάβρωση του ψευδαργύρου γίνεται η πηγή ρεύματος που εμποδίζεται τη διάβρωση του σιδήρου. Το μαγνήσιο, ο ψευδάργυρος, και κράματα αλουμινίου είναι αρκετά πιο ηλεκτραρνητικά από το σίδηρο ή το χάλυβα και έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προστασία τους σε διάφορα περιβάλλοντα. Άλλα μέταλλα όπως ο χαλκός ή κράματα χαλκού έχουν χαμηλότερο δυναμικό από το σίδηρο και το χάλυβα και γι αυτό δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Ένα τέτοιο σύστημα παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.6. Κατά τη διαδικασία παροχής ηλεκτρονίων για την καθοδική προστασία του λιγότερου ενεργού μετάλλου (άνοδος), το περισσότερο ενεργό (κάθοδος) διαβρώνεται. Δηλαδή το πιο ενεργό μέταλλο "θυσιάζεται" για την προστασία του λιγότερου ενεργού. Για αυτό το λόγο οι άνοδοι ονομάζονται θυσιαζόμενες. Σχήμα 2.6 Σύστημα καθοδικής προστασίας με θυσιαζόμενες ανόδους [24] Η ποσότητα της διάβρωσης εξαρτάται από το μέταλλο που χρησιμοποιείται ως άνοδος και είναι ευθέως ανάλογη με προς την ποσότητα του ρεύματος που παρέχεται. Το τελικό ποσοστό ρεύματος που μπορούμε να πάρουμε από ένα πρακτικό σύνολο ανόδων είναι σχετικά μικρό και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ειδική αντίσταση του ηλεκτρολύτη. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας είναι η απόδοση της ανόδου, η οποία αντιπροσωπεύει το ρυθμό αυτό-διάβρωσής της και το ρυθμό διάβρωσης της για την παροχή του συνολικού καθοδικού ρεύματος προστασίας. Οι άνοδοι σε γαλβανικά συστήματα καθοδικής προστασίας πρέπει να επιθεωρούνται περιοδικά και να αντικαθίστανται όταν καταναλώνονται. 20

27 Η εφαρμογή των γαλβανικών ανόδων περιορίζεται από τη μικρή διαφορά δυναμικού (συνήθως λιγότερο από 1V) που μπορεί να επιτευχθεί. Τα γαλβανικά συστήματα γενικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν οικονομικά μόνο σε μικρές ή πολύ καλά επικαλυμένες δομές, σε ηλεκτρολύτες με χαμηλή ειδική αντίσταση. Δεδομένου ότι το ποσό της καθοδικής προστασίας εξαρτάται από την πυκνότητα ρεύματος που παρέχεται στην προστατευόμενη δομή, η ειδική αντίσταση του ηλεκτρολύτη καθορίζει την ποσότητα του ρεύματος. Η ποσότητα του μετάλλου που εκτείθεται στον ηλεκτρολύτη καθορίζει την ποσότητα του ρεύματος που απαιτείται. Δομές χωρίς επικάλυψη (γυμνές) ενδέχεται να απαιτούν ένα υπέρογκο αριθμό ανόδων για την επαρκή προστασία τους. Σε ηλεκτρολύτες υψηλότερης ειδικής αντίστασης, η μικρή διαφορά τάσης ανόδου-δομής θα απέδιδε μια εξαιρετικά μικρή ποσότητα ρεύματος, και ως εκ τούτου, θα απαιτούνταν ένας μεγαλύτερος αριθμός ανόδων Τύποι θυσιαζόμενων ανόδων [5][7][15] Τα κράματα που χρησιμοποιούνται ως θυσιαζόμενες άνοδοι έχουν ως βάση τρία υλικά: το μαγνήσιο, το ψευδάργυρο και το αλουμίνιο. Η απόδοση και, ως εκ τούτου η καταλληλότητα ενός συγκεκριμένου κράματος για μια συγκεκριμένη εφαρμογή εξαρτάται από τη σύνθεση του κράματος και του υλεκτρολύτη. Στον Πίνακα 2-1 παρουσιάζονται κάποιες πληροφορίες για τις θυσιαζόμενες ανόδους. Μαγνήσιο Ψευδάργυρος Αλουμίνιο ΠΙΝΑΚΑΣ 2-1 Τυπικές τμές θυσιαζόμενων ανόδων [7] Υλικό ανόδου Δυναμικό (V) (Ag/AgCl/seawater) Ηλεκτροχημική απόδοση (Αh/kg) Ρυθμός κατανάλωσης (kg/a year) Πρότυπο κράμα Κράμα υψηλού δυναμικού Κράμα Ζ Κράμα Ζ Κράμα Ζ Κράμα Α Κράμα Α Κράμα Α Άνοδοι μαγνησίου Το μαγνησιο χρησιμοποιείται εκτεταμένα εκεί όπου είναι επιθυμητό ένα υψηλό δυναμικό, όπως για την προστασία δομών θαμμένων στο έδαφος. Επίσης χρησιμοποιείται για την προστασία εσωτερικών επιφανειών οικιακών συσκευών παραγωγής ζεστού νερού (ηλιακοί-ηλεκτρικοί θερμοσίφωνες) και δεξαμενών νερού, σε εναλλάκτες θερμότητας και συμπυκνωτές. Άνοδοι με βάση το μαγνήσιο κανονικά δεν απαιτούνται για χρήση στο θαλασσινό νερό, λόγω της χαμηλής αντίστασης του θαλασσινού νερού το οποίο εξασφαλίζει ότι παρέχεται επαρκές ρεύμα από κράματα αλουμινίου ή ψευδαργύρου. Ωστόσο, μπορούν να απαιτούνται σε υφάλμυρο ή γλυκό νερό όπου απαιτείται η υψηλή τάση τους για να παράσχει ικανοποιητικό ρεύμα εξόδου, ή στο θαλασσινό νερό, όπου είναι επιθυμητή η ταχεία πόλωση. 21

28 Συνήθως χρησιμοποιούνται δύο τύποι ανόδου διαφορετικής σύνθεσης. Αυτοί είναι το πρότυπο κράμα και ένα εμπορικά καθαρό ή "υψηλού δυναμικού" κράμα. Τα παρακάτω στοιχεία, που βρίσκονται στα κράματα μαγνησίου, επηρεάζουν το βαθμό απόδοσής των ανόδων που χρησιμοποιούνται για καθοδική προστασία: Αλουμίνιο εμφανίζονται σημαντικές επιπτώσεις εκτός των ορίων Μαγγάνιο ελέγχει σε κάποιο βαθμό την αρνητική επίδραση του σιδήρου Νικέλιο επιζήμιο για το βαθμό απόδοσης Χαλκός επιζήμιος για το βαθμό απόδοσης Σίδηρος επιζήμιος για το βαθμό απόδοσης, αλλά μπορεί να ελεγχθεί σε κάποιο βαθμό από μεγαλύτερες ποσότητες μαγγανίου Πυρίτιο επιζήμιο σε ποσοστό άνω του 0,1 τοις εκατό Ψευδάργυρος ελαφρά επιζήμιος σε μεγαλύτερες ποσότητες Άλλα μέταλλα (μόλυβδος, κασσίτερος, βηρύλλιο) μικρές προσμίξεις δεν επηρεάζουν σημαντικά το βαθμό απόδοσης της ανόδου στις ποσότητες που βρίσκονται συνήθως, αλλά μπορεί να είναι επιζήμια πάνω από τα όρια αυτά. Σχήμα 2.7 Άνοδοι μαγνησίου Ο Πίνακας 2-2 παρουσιάζει τη σύνθεση των δύο κραμάτων. Το μεγάλο πλεονέκτηματα της χρήσης ανόδων μαγνησίου είναι ότι έχουν υψηλότερο ηλεκτρικό δυναμικό σε σχέση με τις άλλες ανόδους. Το κράμα υψηλής καθαρότητας έχει το μεγαλύτερο δυναμικό που μπορεί να υπάρξει, περίπου -1,75 V αναφερόμενο σε ηλεκτρόδιο χαλκού / θειικού χαλκού στο έδαφος, ενώ το πρότυπο κράμα έχει περίπου -1,55 V. Βασικό μειονέκτημα είναι ο χαμηλός βαθμός απόδοσης, όπου και για τα δύο κράματα είναι 50%. Επίσης, οι άνοδοι μαγνησίου λόγω των αρκετά αρνητικών δυναμικών που παράγουν, μπορεί να προκαλέσουν φθορά στα χρώματα της επιφανείας και γιαυτό θα πρέπει να χρησιμοποιείται με προσοχή σε ορισμένες εφαρμογλες Αποκλίσεις από αυτές τις τιμές έχουν σαν αποτέλεσμα την παθητικοποίηση των ανόδων και την υπερβολική αύξηση του ρυθμού κατανάλωσής τους. Τέλος είναι σημαντικό η αντικατάσταση των ανόδων που έχουν καταναλωθεί να γίνεται από ανόδους του ίδιου τύπου και μεγέθους, όπως εκείνες που έχουν εγκατασταθεί αρχικά, εκτός εάν αντικαθίσταται ολόκληρο το σύστημα ανόδου. Άνοδοι διφορετικού τύπου θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ανεπαρκή προστασία. 22

29 ΠΙΝΑΚΑΣ 2-2 Χημική σύνθεση ανόδων μαγνησίου (%) [7] ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΠΡΟΤΥΠΟ ΚΡΑΜΑ ΥΨΗΛΟΥ ΚΡΑΜΑ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ Αλουμίνιο max Μαγγάνιο Ψευδάργυρος max Χαλκός 0.08 max 0.02 max Πυρίτιο 0.3 max 0.05 max Μόλυβδος 0.03 max 0.01 max Σίδηρος max 0.03 max Νικέλιο max max Άλλα μέταλα 0.3 max 0.3 total 0.05 each Μαγνήσιο Υπόλοιπο Υπόλοιπο Άνοδοι ψευδαργύρου Άνοδοι με βάση το ψευδάργυρο χρησιμοποιούνται ευρέως για εφαρμογές στα πλοία, χρησιμοποιούνται επίσης για υπεράκτιες δομές, αλλά η υψηλότερη πυκνότητα τους μπορεί να οδηγήσει σε περιορισμούς βάρους. Μερικές φορές, ωστόσο, χρησιμοποιούνται στην προστασία υπόγειων δομών όταν υπάρχουν ειδικές συνθήκες, συνήθως σε εδάφη με ειδική αντίσταση κάτω από ohm-cm σε εξαιρετικά καλά επικαλυμμένες δομές. Υπάρχει ένα ευρύ φάσμα κραμάτων ψευδαργύρου διαθέσιμο. Οι διαφορετικές συνθέσεις έχουν σαν στόχο να βελτιστοποιήσουν συγκεκριμένες ιδιότητες. Καθαρός ψευδάργυρος μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο αν η περιεκτικότητα σε προσμίξεις σιδήρου είναι μικρότερη από 0,0014%. Ωστόσο, με την προσθήκη αλουμινίου το επίπεδο προσμείξεων σιδήρου μπορεί να αυξηθεί ελαφρά. Οι χημική σύνθεση τυπικών κραμάτων ψευδαργύρου παρουσιάζεται στον Πίνακα 2-3. Ως πλεονέκτημα των ανόδων ψευδαργύρου θεωρείται ο καλός βαθμός απόδοσής τους, που είναι περίπου 90%. Το ηλεκτρικό δυναμικό τους είναι περίπου V αναφερόμενο σε ηλεκτρόδιο Ag/AgCl/θαλασσινό νερό. Σε ορισμένα γλυκά νερά σε θερμοκρασίες άνω των 40 C το δυναμικό μπορεί να μειωθεί, και ως εκ τούτου ο ψευδάργυρος δεν θα πρέπει να χρησιμοποιείται σε αυτές τις περιπτώσεις. Τέλος, όπως και στην περίπτωση των ανόδων μαγνησίου, η αντικατάσταση των ανόδων πρέπει να γίνεται από ανόδους του ίδιου τύπου, εκτός εαν αντικαθίσταται ολόκληρο το σύστημα. 23

30 ΠΙΝΑΚΑΣ 2-3 Χημική σύνθεση ανόδων ψευδαργύρου (%) [7] ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΚΡΑΜΑ Ζ 1 ΚΡΑΜΑ Ζ 2 ΚΡΑΜΑ Ζ 3 (ΥΨΗΛΗΣ ΚΑΘΑΡΟΤΗΤΑΣ) Αλουμίνιο max Κάδμιο max Σίδηρος max max max Χαλκός max max max Μόλυβδος max max max Κασσίτερος 0.01 max μαγνήσιο 0.5 max Άλλα μέταλα 0.10 max max 0.1% max Ψευδάργυρος min min Υπόλοιπο Άνοδοι αλουμινίου Ένα τρίτο μέταλλο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θυσιαζόμενη άνοδος είναι το αλουμίνιο. Οι άνοδοι αυτού του τύπου εξελίχθηκαν πιο πρόσφατα σε σχέση με τις ανόδους μαγνησίου και ψευδαργύρου. Στο καθαρό αλουμίνιο, σχηματίζεται επιφανειακό στρώμα από οξείδιο που εμποδίζει την ομοιόμορφη ροή του ρεύματος. Γι αυτό τον λόγο χρησιμοποιούνται ειδικά κράματα ως υλικά ανόδου. Οι άνοδοι από αλουμίνιο χρησιμοποιούνται κυρίως για την προστασία κατασκευών που βρίσκονται σε περιβάλλον θαλασσινού νερού. Υπάρχουν τρεις γενικοί τύποι κραμάτων αλουμινίου που χρησιμοποιούνται ως άνοδοι. Ο Πίνακας 2-4 παρουσιάζει τη σύνθεση αυτών των κραμάτων. Το ηλεκτρικό δυναμικό των ανόδων αλουμινίου είναι περίπου -1,10 V αναφερόμενο σε ηλεκτρόδιο Ag/AgCl/θαλασσινό νερό. Ο βαθμός απόδοσης τους είναι αρκετά καλός, περίπου 80%. Η χωρητικότητα για όλα τα κράματα με βάση το αλουμίνιο θα είναι σημαντικά χαμηλότερη σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Για παράδειγμα, η χωρητικότηα για τα κράματα Α 1 και Α 2 θα μειωθεί από 2500 Ah/kg (25 C) σε 500 Ah/kg ( 80 C). ΠΙΝΑΚΑΣ 2-3 Χημική σύνθεση ανόδων αλουμινίου (%) [7] ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΚΡΑΜΑ Α 1 ΚΡΑΜΑ Α 2 ΚΡΑΜΑ Α 3 Ψευδάργυρος Ινδιο Σίδηρος 0.12 max 0.09 max 0.06 max Πυρίτιο 0.12 max 0.10 max Χαλκός max max Κάδμιο max amx Άλλα μέταλλα 0.02 max (each) 0.02 max (each) 0.02 max (each) 0.1 max (total) 0.1 max (total) 0.05 max (total) Αλουμίνιο Υπόλοιπο Υπόλοιπο Υπόλοιπο 24

31 2.5.2 Εγκατάσταση γαλβανικών ανόδων [10] Οι γαλβανικές άνοδοι που χρησιμοποιούνται για να προστατεύσουν υπόγειες δομές, όπως οι αγωγοί, συνήθως δεν συνδέονται άμεσα με την δομή, αλλά τοποθετούνται στο έδαφος, ομοιόμορφα κατανεμημένες σε μικρή απόσταση από αυτή και συνδέονται μαζί της χρησιμοποιώντας μονωμένο καλώδιο. Μια ειδική χημική επίχωση χρησιμοποιείται σχεδόν πάντα γύρω από τις θυσιαζόμενες ανόδους στο έδαφος. Αυτή η επίχωση παρέχει έναν ομοιόμορφο ηλεκτρολύτη γύρω από την άνοδο, διατηρεί την υγρασία και μειώνει την αντίσταση της ανόδου προς τη γη αυξάνοντας έτσι το ρεύμα εξόδου,. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο μίγμα επίχωσης αποτελείται από 75% γύψο, 20% λάσπη μπετονίτη και 5% θειικό νάτριο. Αυτό το μίγμα επιλέγεται, επειδή, στα περισσότερα είδη των εδαφών που είναι πιθανόν να παρουσιαστούν, έχει δείξει την καλύτερη επιτυχία στην επίτευξη των επιθυμητών χαρακτηριστικών, λόγω της διαλυτότητας των συστατικών του. Το Σχήμα 2.8 δείχνει την εγκατάσταση μιας θυσιαζόμενης ανόδου στο έδαφος με επίχωση. Σχήμα 2.8 Εγκατάσταση θυσιαζόμενης ανόδου έδαφος με επίχωση [5] Οι γαλβανικές άνοδοι που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές εμβάπτισης είναι συνήθως άμεσα συνδεδεμένες με τη δομή που πρόκειται να προστατευθεί, σε ένα σημείο της όπου θα είναι εκτεθειμένες στο ίδιο περιβάλλον με την δομή. Όταν είναι απαραίτητη η αντικατάσταση των εν λόγω ανόδων, θα πρέπει να αντικατασταθούν από ανόδους του ίδιου τύπου. Ολόκληρος ο εξοπλισμός στερέωσης των ανόδων θα πρέπει να ελέγχεται προσεκτκά και να επισκευάζεται αν αυτό είναι απαραίτητο, για να εξασφαλιστεί ότι οι άνοδοι θα παραμείνουν στη θέση τους και ότι η ηλεκτρική επαφή θα διατηρείται. Άνοδοι με αυτόν τον τρόπο εγκατάστασης χρησιμοποιούνται ευρέως για την προστασία σε πλοία και προκυμαίες. 25

32 2.5.3 Σύνδεση γαλβανικής ανόδου με δομή [9] Η ηλεκτρική επαφή μεταξύ των γαλβανικών ανόδων και της υπό-προστασία δομής είναι ζωτικής σημασίας για την προστασία της δομής. Σε συστήματα όπου οι άνοδοι συνδέονται απευθείας με τη δομή, αυτή η επαφή επιτυγχάνεται μέσω του συστήματος στερέωσης. Οι άνοδοι είναι άμεσα συγκολλημένες ή βιδωμένες στη δομή. Σε συστήματα όπου οι άνοδοι δεν τοποθετούνται απευθείας στην υποπροστασία δομή, η σύνδεση συνήθως επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας ένα μονωμένο καλώδιο χαλκού. Το καλώδιο είτε χυτεύεται εντός της ανόδου κατά τη διάρκεια της κατασκευής ή συγκολλάται στον πυρήνα της ανόδου. Η σύνδεση με τη δομή συνήθως επιτυγχάνεται με συγκόλληση του καλωδίου με τη δομή. Σφιγκτήρες χρησιμοποιούνται επίσης για τη σύνδεση των καλωδίων της ανόδου με τη δομή. Για να εξασφαλίζετε καλή ηλεκτρική σύνδεση, οι σφιγκτήρες και τα καλώδια πρέπει να είναι καθαρά και οι σφιγκτήρες να σφίγκονται σωστά Σταθμοί ελέγχου [9] Σε συστήματα γαλβανικών ανόδων για ενταφιασμένες δομές περιλαμβάνονται σταθμοί ελέγχου για να διευκολύνεται η επιθεώρηση του συστήματος. Αυτοί οι σταθμοί είναι απλά καλώδια που οδηγούνται στην επιφάνεια του εδάφους ή σε κάποιο άλλο εύκολα προσβάσιμο μέρος, έτσι ώστε οι ηλεκτρικές μετρήσεις να μπορούν να γίνουν εύκολα. Ο πιο κοινός τύπος σταθμού ελέγχου που χρησιμοποιείται σε συστήματα γαλβανικών ανόδων είναι σταθμός ελέγχου ρεύματος/δυναμικού και φαίνεται στο Σχήμα 2.9. Το καλώδιο της δομής συνδέεται με το καλώδιο της ανόδου μέσω μιας αντίστασης. Σε αυτούς τους σταθμούς μετριέται το δυναμικό της δομής σε σχέση με την άνοδο, το δυναμικό της ανόδου, και το ποσό του ρεύματος που παρέχεται από μία άνοδο ή μία ομάδα ανόδων. Οι σταθμοί ελέγχου μπορεί να βρίσκονται πάνω από το έδαφος σε κουτιά σύνδεσης ή κάτω από την επιφάνεια του. Μέσω ενός σταθμού ελέγχου, ο εξεταστής μπορεί να λάβει πληροφορίες σχετικά με το αν λειτουργεί σωστά ένα σύστημα καθοδικής προστασίας, αν οι άνοδοι έχουν καταναλωθεί κλπ. Σχήμα 2.9 Σταθμός ελέγχου σε συστήματα γαλβανικών ανόδων [9] 26

33 2.5.5 Πλεονεκτήματα και περιορισμοί [5] Yπάρχουν πολλά σημαντικά πλεονεκτήματα για τη χρήση γαλβανικών ανόδών: Ανεξάρτητες από εξωτερική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας Απλή και οικονομική εγκατάσταση Χαμηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης Εξαιρετικά μικρή πιθανότητα υπέρ-προστασίας Κατάλληλες για τοπική προστασία Μικρή πιθανότητα καθοδικών παρεμβολών σε γειτονικές (ξένες) δομές Η εφαρμογή των γαλβανικών ανόδων περιορίζεται από τη μικρή διαφορά δυναμικού (συνήθως λιγότερο από 1V) μεταξύ ανόδου και καθόδου που μπορεί να επιτευχθεί. Το ρεύμα εξόδου που διατίθεται από ένα πρακτικό μέγεθος γαλβανικών ανόδων είναι σχετικά μικρό, κυρίως σε ηλεκτρολύτες υψηλής ειδικής αντίστασης. Τα γαλβανικά συστήματα γενικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν οικονομικά μόνο σε μικρές ή πολύ καλά επικαλυμένες δομές. Δομές χωρίς επικάλυψη (γυμνές) ενδέχεται να απαιτούν ένα υπέρογκο αριθμό ανόδων για την επαρκή προστασία τους. Επίσης, το ρεύμα από τις ανόδους συνήθως δεν είναι ελεγχόμενο και έτσι οποισδήποτε αλλαγές στη δομή μπορεί να απαιτήσουν την εγκατάσταση επιπλέον ανόδων για να διατηρηθεί η προστασία. 2.6 Καθοδική προστασία μέσω εξωτερικού ρεύματος [3][22] Τα συστήματα εξωτερικού ρεύματος είναι ουσιαστικά ίδια σε λειτουργία με τα συστήματα γαλβανικών ανόδων, δηλαδή παρέχουν ρεύμα για την καθοδική προστασία της επιφάνειας ενός μετάλλου. Ωστόσο, στην περίπτωση ενός συστήματος εξωτερικού ρεύματος, το προστατευτικό ρεύμα παρέχεται από έναν ανορθωτή ή άλλη πηγή συνεούς ρεύματος αντί από τη διαφορά δυναμικού μεταξύ ανόδου και δομής. Η διάταξη για την προστασία μέσω αυτών των συστημάτων απεικονίζεται στο Σχήμα Το κύκλωμα περιλαμβάνει την πηγή ισχύος, μια αδρανή άνοδο, το διαβρωτικό διάλυμα, και τη δομή που πρόκειται να προστατευθεί. Η πηγή ισχύος παρέχει ρεύμα από την άνοδο διαμέσου του διαβρωτικού διαλύματος στη δομή. Η δομή είναι έτσι καθοδικά πολωμένη (το δυναμικό της μειώνεται) και το ρεύμα επιστρέφει μέσω του κυκλώματος στην πηγή ισχύος.. Η άνοδος συνδέεται στο θετικό πόλο της πηγής και η δομή στον αρνητικό. 27

34 Σχήμα 2.10 Σύστημα καθοδικής προστασίας με εξωτερικό ρεύμα [24] Συνήθως, χρησιμοποιούνται υλικά όπως γραφίτης, σίδηρος υψηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο, λευκόχρυσος ως άνοδοι σε συστήματα εξωτερικού ρεύματος, επειδή έχουν μικρό ρυθμό κατανάλωσης. Σε ανόδους που βρίσκονται στο έδαφος χρησιμοποιείται μια ειδική επίχωση για να παρέχει ένα ομοιόμορφο ηλεκτρολύτη, να μειώνει την αντίσταση ως προς τη γη και να βοηθά στον εξαερισμό των αερίων και των οξέων. Αυτή η επίχωση αποτελείται συνήθως από οπτάνθρακα. Οι άνοδοι θα πρέπει να ελέγχονται περιοδικά και να αντικαθίστανται όταν καταναλώνονται ή καταστρέφονται. Οι πηγές συνεχούς ρεύματος απαιτούν προληπτική συντήρηση και επαναλαμβανόμενους ελέγχους για να διασφαλιστεί η σωστή λειτουργία τους. Δεδομένου ότι η πηγή τροφοδοσίας αναγκάζει τα πάντα συνδεδεμένα με το θετικό πόλο να ενεργήσουν σαν άνοδος, τα καλώδια θα πρέπει να έχουν ειδική μόνωση. Οποιοδήποτε ελάττωμα στη μόνωση των καλωδίων ανόδου θα οδηγήσει σε απώλεια μετάλλου χαλκού και τελικά σε αποτυχία του συστήματος ανόδου. Στην πράξη η DC έξοδος κυμαίνεται σε ένα εύρος V και Α, ενώ μπορεί να υπάρξουν και μονάδες με έξοδο 200 V/200 A. Έτσι είναι δυνατόν να προστατευθούν μεγάλες δομές ακόμα και από μια άνοδο Τύποι ανόδων εξωτερικού ρεύματος [5][9][20] Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό ενός υλικού ανόδου εξωτερικού ρεύματος είναι συνήθως η σχέση μεταξύ του ρυθμού κατανάλωσης και του ρεύματος. Για παράδειγμα ο χάλυβας, εάν χρησιμοποιηθεί σαν άνοδος, θα παρέχει περίπου 0.11 Ay/kg, και έτσι περίσσοτερα από 9 κιλά χάλυβα θα χρειαστούν για να παράσχουν 1A/y. Υπάρχουν άλλα υλικά με χαμηλότερο ρυθμό κατανάλωσης, αλλά γενικά είναι 28

35 πιο ακριβά. Η σχέση κόστους και ρυθμού διάβρωσης ποικίλλει ανάλογα με τις συνθήκες. Τα συνηθέστερα χρησιμοποιούμενα υλικά για ανόδους αυτού του συστήματος ειναι γραφίτης και σίδηρος υψηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο. Επιλευκοχρυσωμένο τιτάνιο ή νιόβιο και ανάμεικτα οξείδια μετάλλων γίνονται όλο και πιο διαδεδομένα ως υλικά ανόδων εξωτερικού ρεύματος. Τα χαρακτηριστικά των κυριότερων υλικών ανόδου παρουσιάζοντα στον Πίνακα 2-5. ΠΙΝΑΚΑΣ 2-5 Ιδιότητες των κυριότερων υλικών ανόδου [5] Υλικό Μέγιστη πυκνότητα ρεύματος (A/m 2 ) Ρυθμός κατανάλωσης (kg/ay) Μέγιστη τάση λειτουργίας (V) Χάλυβας Γραφίτης Σίδηρος πυριτίου έως Μαγνητίτης max 50 Κράματα μολύβδου Επιλευκοχρυσωμένο τιτάνιο Άνοδοι σιδήρου υψηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο Οι άνοδοι σιδήρου παράγονται σε δύο τύπους κραμάτων με την κύρια προσθήκη χρωμίου, που αναπτύχθηκε το 1959, για να βελτιώσει τη διάρκεια ζωής σε χλωριούχα εδάφη και στο νερό. Ο Πίνακας 2-6 δείχνει τη μεταλλουργική σύνθεση των δύο κραμάτων. Ο κύριος λόγος για την αυξημένη απόδοση του χυτοσίδηρου είναι ο σχηματισμός ενός φιλμ οξειδίου του πυριτίου (Si0 2 ) που σχηματίζεται πάνω στην επιφάνεια της ανόδου, μειώνοντας το ρυθμό της οξείδωσης, και κατά συνέπεια επιβραδύνοντας το ρυθμό κατανάλωσης. Είναι κατάλληλη τόσο στο έδαφος όσο και στο νερό. Για αποτελεσματική χρήση στο έδαφος, χρησιμοποιείται επίχωση ανθρακούχου υλικού, για να μειώσει την αντίσταση της ανόδου και να αυξήσει την ωφέλιμη επιφάνεια της. Για εφαρμογές σε θαλασσινό νερό συνήθως συμπεριλαμβάνεται και 4.5% χρώμιο. Οι άνοδοι εμφανίζουν πολύ καλή αγωγιμότητα και παρουσιάζουν πολύ μικρή αλλαγή στην αντίσταση με την πάροδο του χρόνου. Η υψηλή αντοχή στον εφελκυσμό του μετάλλου είναι ένα πλεονέκτημα σε ορισμένες περιπτώσεις, αλλά το γεγονός ότι παρουσιάζουν χαμηλή επιμήκυνση τις καθιστά εύθραυστες και για αυτό θα πρέπει να αντιμετωπίζονται με προσοχή. Κατασκευάζονται σε μια μεγάλη ποικιλία διαστάσεων, σχημάτων και βαρών. 29

36 ΠΙΝΑΚΑΣ 2-6 Σύνθεση ανόδων χυτοσίδηρου [20] ΣΤΟΙΧΕΙΟ ΤΥΠΟΣ Ι ΤΥΠΟΣ ΙΙ Πυρίτιο 14.2% 14.75% 14.2% 14.75% Μαγγάνιο 1.5% max 1.5% max Χρώμιο 3.25% 5.0% Άνθρακας 0.75% 1.15% 0.75% 1.15% Χαλκός 0.50% max 0.50% max Σίδηρος Υπόλοιπο Υπόλοιπο Ρυθμός κατανάλωσης Έδαφος 0.45 κιλά/αμπέρ-έτους 0.34 κιλά/αμπέρ-έτους Θαλασσινό νερό 8.4 κιλά/αμπέρ-έτους 0.11 κιλά/αμπέρ-έτους Άνοδοι γραφίτη Ο γραφίτης χρησιμοποιείται ως υλικό ανόδου εξωτερικού ρεύματος για πολλά χρόνια και άνοδοι αυτού του τύπου έχουν μικρό ρυθμό κατανάλωσης. Οι βασικοί σχηματισμοί των ανόδων γραφίτη αποτελούνται από στρογγυλές ή τετράγωνες ράβδους, που κατασκευάζονται από έναν πολτό σκόνης οπτάνθρακα και ρητίνης λιθανθρακόπισσας. Η ρητίνη χρησιμοποιείται ως συνδετικός παράγοντας για να συγκρατεί τα σωματίδια γραφίτη μαζί και στη συνέχεια ψήνονται για ένα μήνα σε υψηλές θερμικρασίες για την τελική τήξη του μίγματος. Η διαδικασία αυτή αυξάνει την αντοχή της ανόδου στην οξείδωση, καθώς η ρητίνη μειώνει την αποσάρθρωση της όπως ο γραφίτης καταναλώνεται. Το χλώριο που μπορεί να παραχθεί ηλεκτρολυτικά σε υφάλμυρα νερά είναι ιδιαίτερα επιθετικό απέναντι σε ανόδους γραφίτη. Στο έδαφος ή σε θαλασσινό νερό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πυκνότητες ρεύματος μέχρι 10 A/m 2, αλλά σε γλυκό νερό δεν θα πρέπει να υπερβαίνει τα 2.5 A/m 2. Δυστυχώς, οι άνοδοι γραφίτη είναι εύθραυστες και απαιτούν προσεκτικό χειρισμό κατά τη μεταφορά, την αποθήκευση και την εγκατάσταση για την αποφυγή ρωγμών ή σπασίματος. Σχήμα 2.11 Άνοδοι γραφίτη 30

37 Άνοδοι αλουμινίου Αυτές χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον σε εφαρμογές θαλασσινού νερού. Το κόστος τους είναι χαμηλό και είναι αρκετά ελαφριές. Τα προιόντα διάβρωσης αυτών των ανόδων δεν μολύνουν το νερό, αλλά ο ρυθμός κατανάλωσης των 4,1 κιλών ανά αμπέρ/έτους περιορίζει την αποτελεσματικότητα του κόστους με βάση το κόστος ανά έτος λειτουργίας σε σύγκριση με άλλες ανόδους. Οι άνοδοι παθητικοποιούνται εύκολα και πρέπει να ξεπλένονται με NaCl για να ενεργοποιούνται ξανά. Άνοδοι κράματος μολύβδου Άνοδοι αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται μόνο σε εφαρμογές θαλασσινού νερού και μπορεί να περιέχουν διάφορα μέταλλα.. Αυτές οι άνοδοι στηρίζονται στο σχηματισμό ενός επιφανειακού φιλμ οξειδίου του μολύβδου (PbO 2 ), το οποίο αποτελεί ένα αγώγιμο μέσο που δεν αλλοιώνεται γρήγορα και παρατείνει τη διάρκεια ζωής της επιφάνειας. Για παράδειγμα, ο μόλυβδος σε μορφή κράματος με αντιμόνιο και ασήμι μπορεί να λειτουργεί σε πυκνότητες ρεύματος μέχρι 300 Α/m 2. Σε άλλο τύπο, ο μόλυβδος γίνεται κράμα με ασήμι και τελλούριο. Η απόδοση μπορεί να επηρεαστεί αρνητικά σε βαθιά νερά ή σε νερά με χαμηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο. Το κράμα έχει καλές μηχανικές ιδιότητες και μπορεί να χυτευθεί σε οποιοδήποτε επιθυμητό σχήμα. Άνοδοι λευκόχρυσου έχουν αντικαταστασήσει σε μεγάλο βαθμό αυτού του είδους τις ανόδους. Άνοδοι επιλευκοχρυσωμένου τιτανίου Ο λευκόχρυσος μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως επικάλυψη ανόδου για σχεδόν κάθε τύπο εγκατάστασης καθοδικής προστασίας. Ο λευκόχρυσος επειδή έχει πάρα πολύ μικρό ρυθμό κατανάλωσης 0,00001 κιλά ανά αμπέρ-έτους, αρκεί μια πολύ μικρή ποσότητα του για καθοδική προστασία. Ωστόσο ο καθαρός λευκόχρυσος, από μόνος του, είναι αρκετά ακριβός και για αυτό συνήθως χρησιμοποιείται ως ένα λεπτό στρώμα πάχους περίπου 2, m σε ευγενή μέταλλα όπως το τιτάνιο ή το νιόβιο. Το τιτάνιο αναπτύσσει ένα στρώμα οξειδίου υψηλής ηλεκτρικής αντίστασης, το οποίο εμποδίζει τη διάβρωση δρώντας ως φράγμα. Το τιτάνιο, δηλαδή, δρα ως ένα αδρανές υπόστρωμα για το λευκόχρυσο. Ο λευκόχρυσος μπορεί να αντέξει πολύ υψηλή πυκνότητα ρεύματος και γενικά εφαρμόζεται σε μια μικρή περιοχή. Η εκτιμώμενη διάρκεια ζωής του είναι 10 χρόνια. Ανάμεικτα οξείδεια μετάλλων Αυτές οι άνοδοι είναι η τελευταία λέξη της τεχνολογίας ως υλικό ανόδου και έχουν αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό άλλους τύπους ανόδων, τόσο στην ξηρά όσο και στη θάλασσα. Αποτελούνται από ένα μίγμα οξειδίων πολύτιμων μετάλλων (π.χ. ρουθήνιο και ιρίδιο)με άλλα οξείδια, το οποίο απλώνεται πάνω σε υπόστρωμα τιτανίου. Αυτό το είδος της ανόδου έχει τα ίδια πλεονεκτήματα (και κάποιους περιορισμούς) όπως οι επιλευκοχρυσωμένες άνοδοι, αλλά είναι γενικά φθηνότερο. 31

38 Μπορούν να γίνουν σε διάφορα σχήματα, όπως κορδέλες, ράβδοι, σύρματα, πλέγμα κλπ.. Οι εφαρμοζόμενες πυκνότητες ρεύματος είναι υψηλές και ο ρυθμός κατανάλωσης είναι χαμηλός Πηγές ρεύματος [9][20] Οι πηγές συνεχούς ρεύματος που χρησιμοποιούνται σε συστήματα εξωτερικού ρεύματος είναι οι εξής: Μετασχηματιστές / Ανορθωτές Ηλιακά φωτοβολταικά κύταρρα Θερμοηλεκτρικές γεννήτριες Ανεμογεννήτριες Κινητήρες Μπαταρίες Τουρμπίνες ατμού κλειστού κύκλου Μετασχηματιστές / Ανορθωτές Αυτή είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη πηγή ενέργειας σε συστήματα εξωτερικού ρεύματος. Η μονάδα αποτελείται από ένα μετασχηματιστή, για να μειώνει το εναλλασόμενο ρεύμα σε ένα επιθυμητό επίπεδο, καθώς και έναν ανορθωτή για να μετατρέπει το εναλλασόμενο ρεύμα σε συνεχές. Ακροδέκτες εξόδου και και ένας μεγάλος αριθμός άλλων στοιχείων ολοκληρώνει την τελική συναρμολόγηση της μονάδας. α) Κύρια στοιχεία μονάδας Μετασχηματιστή / Ανορθωτή Η μονάδα αυτού του τύπου που επιλέγεται για ένα συγκεκριμένο σύστημα εξωτερικού ρεύματος θα πρέπει να συνδυάζει τις ηλεκτρικές ανάγκες και τις περιβαλλοντικές συνθήκες της περιοχής. Υπάρχουν διάφοροι ηλεκτρικοί τύποι ανορθωτών και είναι ειδικά σχεδιασμένοι για χρήση σε συστήματα καθοδικής προστασίας εξωτερικού ρεύματος σε πολλά περιβάλλοντα. Το Σχήμα 2.12 είναι ένα διάγραμμα του κυκλώματος ενός ανορθωτή μονοφασικής γέφυρας που δείχνει τα περισσότερα στοιχεία που βρίσκονται σε ανορθωτές αυτού του τύπου. Το διάγραμμα δείχνει επίσης έναν εξωτερικό διακόπτη και προστασία του κυκλώματος της συσκευής, η οποία είναι υποχρεωτική για όλες τις εγκαταστάσεις των ανορθωτών. 32

39 Μετασχηματιστής Σχήμα 2.12 Κύκλωμα ανορθωτή μονοφασικής γέφυρας [20] Ο μετασχηματιστής χρησιμοποιείται για να μειώσει το εισερχόμενο εναλλασόμενο ρεύμα στην τιμή που απαιτείται για τη λειτουργία του ανορθωτή. Στους περισσότερους ανορθωτές στα συστήματα εξωτερικού ρεύματος, η τάση εξόδου από το δευτερεύων πηνίο του μετασχηματιστή περνά μέσα από ένα σύστημα διακοπτών. Συνήθως υπάρχουν δύο διακόπτες, ένας για ρύθμιση ακριβείας και ένας για κανονική ρύθμιση. Μέσω αυτών των διακοπτών, η τάση ρυθμίζεται έτσι ώστε να μεταβάλλεται η τάση στον ανορθωτή από το μηδέν, μέσα από τουλάχιστον 20 στάδια, έως τη μέγιστη τιμή. Ανορθωτής Το εναλλασόμενο ρεύμα από το δευτερεύων πηνίο του μετασχηματιστή μετατρέπεται σε συνεχές από τον ανορθωτή. Τα πιο κοινά στοιχεία ανόρθωσης είναι πλάκες σεληνίου και δίοδοι πυριτίου. Οι δίοδοι πυριτίου είναι πιο συχνά αποτελεσματικοί σε υψηλές τάσεις, αλλά είναι πιο επιρρεπείς σε βλάβες από υπερφόρτιση τάσης ή ρεύματος. Αυτά τα κύτταρα μπορούν να συνδέονται παράλληλα ή σε σειρά για την παραγωγή της επιθυμητής τάσης. Οι ανορθωτές δεν είναι 100% αποτελεσματικοί στην μετατροπή εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές. Αυτό οφείλεται στην παρουσία του εναλλασσόμενου ρεύματος και σε εγγενείς απώλειες στα στοιχεία ανόρθωσης που έχουν ως αποτέλεσμα τη θέρμανση τους. Η απόδοση ενός ανορθωτή υπολογίζεται από την ακόλουθη εξίσωση: Απόδοση % συνεχής τάση εξόδου εναλλασόμενη τάση εισόδου x 100 Τυπικές αποδόσεις μονοφασικής ανορθωτικής γέφυρας είναι περίπου 60% - 75%. 33

40 Αυτόματοι διακόπτες και ασφάλειες Οι αυτόματοι διακόπτες περιέχουν έναν εσωτερικό μηχανισμό που ανοίγει το διακόπτη όταν το ρεύμα ξεπεράσει ένα προκαθορισμένο όριο. Προστατεύουν δηλαδή το κύκλωμα από υπερφόρτιση. Μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν και ως διακόπτες "ON" και "OFF" για το κύκλωμα. Εκτός από διακόπτες και ασφάλειες, ο ανορθωτής πρέπει να είναι εφοδιασμένος με αντικεραυνικά όργανα στην AC είσοδο και DC έξοδο, προκειμένου να μην προκληθεί ζημιά από κεραυνό ή άλλες μικρής διάρκειας αυξομειώσεις της τάσης. Όργανα μέτρησης Ο ανορθωτής πρέπει να είναι εφοδιασμένος με όργανα μέτρησης για να μετριούνται το ρέυμα εξόδου και η τάση. Δεν θα πρέπει να είναι σε συνεχή λειτουργία, αλλά να ενεργοποιούνται μέσα στο κύκλωμα όταν αυτό απαιτείται, για να προστατεύονται από ηλεκτρική βλάβη. Οι ανορθωτικές μονάδες μπορεί να χρησιμοποιούν συστήματα ψύξης μέσω λαδιού ή μέσω αέρα. Οι αερόψυκτες μονάδες έχουν χαμηλότερο κόστος και είναι πιο εύκολες στην εγκατάσταση και στην επισκευή. Ωστόσο σε ζεστά κλίματα ή όπου συναντώνται διαβρωτικές ή ρυπαρές ατμοσφαιρικές συνθήκες προτιμώνται οι ελαιόψυκτες μονάδες. Μονάδες με υψηλό ονομαστικό ρεύμα είναι συνήθως ελαιόψυκτες, αν και οι σύγχρονη τεχνολογία των ημιαγωγών επιτρέπει και στις αερόψυκτες μονάδες να έχουν αυξημένη ισχύ. β) Τύποι ανορθωτών Μπορούν να χρησιμοποιηθούν δύο τύποι ανορθωτών, η μονοφασική γέφυρα και η τριφασική. Ειδικά για μονάδες υψηλής ισχύος, η τριφασικη προτιμάται διότι παρέχει συνήθως μια πιο ομαλή έξοδο DC από τη μονοφασική, εκτός και αν έχουν εγκατασταθεί εξελιγμένα κυκλώματα εξομάλυνσης σε αυτή. Μονοφασική γέφυρα Το κύκλωμα για αυτόν τον τύπο του ανορθωτή παρουσιάζεται στο Σχήμα Αυτός ο τύπος ανορθωτή χρησιμοποιείται πιο συχνά για ισχύ εξόδου περίπου μέχρι W. Η μονάδα ανόρθωσης αποτελείται από τέσσεριε διόδους. Εάν μία από τις διόδους χαλάσει ή αλλάξει αντίσταση, συνήθως χαλάνε και οι υπόλοιπες. Το ρεύμα περνάει μέσα από ένα ζεύγος διόδων και του εξωτερικού φορτίου (δομή και κύκλωμα ανόδου). Το ενεργό ζεύγος στοιχείων εναλλάσεται καθώς η πολικότητα του εναλλασομένου ρεύματος αντιστρέφεται. 34

41 Σχήμα 2.13 Μονοφασική γέφυρα Το αποτέλεσμα ενός πλήρους ανορθωμένου ρεύματος φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Τριφασική γέφυρα Το κύκλωμα για ένα ανορθωτή γέφυρας τριών φάσεων παρουσιάζεται στο Σχήμα Το κύκλωμα λειτουργεί σαν τρεις μονοφασικές γέφυρες συνδυασμένες μαζί. Σε αυτήν την περίπτωση, το συνεχές ρεύμα που παράγεται έχει μικρότερο "κυματισμό". Λόγω αυτής της μείωσης της κυμάτωσης του εναλλασομένου ρεύματος, οι τριφασικές γέφυρες είναι πιο αποτελεσματικές από τις μονοφασικές, και το επιπλέον αρχικό κόστος ισοδυναμείται από την εξοικονόμηση της παρεχόμενης ισχύος, ιδιαίτερα σε σε μονάδες ισχύος πάνω από W. Σχήμα 2.14 Τριφασική γέφυρα Υπάρχουν και διάφοροι άλλοι ειδικοί τύποι ανορθωτών, ειδικά σχεδιασμένοι για χρήση σε συστήματα καθοδικής προστασίας, που έχουν αναπτυχθεί για ειδικές εφαρμογές. Ορισμένοι ειδικοί ανορθωτές παρέχουν αυτόματο έλεγχο του ρεύματος για να διατηρείται ένα σταθερό δυναμικό δομής-προς-ηλεκτρολύτη, άλλοι παρέχουν ένα σταθερό ρεύμα πάνω σε ποικίλες αντιστάσεις εξωτερικού κυκλώματος 35

42 α) Ένας ανορθωτής σταθερού ρεύματος απεικονίζεται από ένα μπλοκ διάγραμμα στο Σχήμα Ένα σήμα εισόδου συνεχούς ρεύματος τροφοδοτείται στον ενισχυτή από μία ρυθμιζόμενη αντίσταση του κυκλώματος εξόδου. Ο ενισχυτής χρησιμοποιεί αυτό το σήμα ανάδρασης για να ρυθμίσει την τάση που παρέχεται στα ανορθωτικά στοιχεία, έτσι ώστε να δημιουργείται ένα σταθερό σήμα εισόδου και, ως εκ τούτου, ένα σταθερό ρεύμα εξόδου. Σχήμα 2.15 Ανορθωτής σταθερού ρεύματος [20] β) Ένας ανορθωτής αυτόματου ελέγχου του δυναμικού απεικονίζεται από ένα μπλοκ διάγραμμα στο Σχήμα Αυτός ο τύπος ανορθωτή χρησιμοποιεί τη διαφορά δυναμικού μεταξύ της δομής και ενός ηλεκτροδιού αναφοράς για τον έλεγχο του ρεύματος εξόδου της μονάδας. Αυτοί οι ανορθωτές χρησιμοποιούνται συνήθως όταν οι απαιτήσεις του ρεύματος ή η αντίσταση του κυκλώματος ποικίλλει σημαντικά με το χρόνο, όπως στην περίπτωση της δομής σε μια περιοχή με υψηλά περιοδικά παλιρροιακά ρεύματα ή μια δεξαμενή αποθήκευσης νερού, όπου η στάθμη του νερού αλλάζει σημαντικά. Σχήμα 2.16 Ανορθωτής αυτόματου ελέγχου του δυναμικού [20] Άλλες πηγές ενέργειας Σε απομακρυσμένες περιοχές, οι πηγές ενέργειας περιλαμβάνουν θερμοηλεκτρικές γεννήτριες, τουρμπίνες ατμού κλειστού κύκλου,ηλιακές ή αιολικές γεννήτριες και μπαταρίες. 36

43 Σε περιοχές όπου δεν υπάρχει ηλεκτρικό δίκτυο, χρησιμοποιούνται συχνά συστήματα με μπαταρίες, οι οποίες φορτίζονται από ηλιακές ή αιολικές γεννήτριες. Οι μπαταρίες θα πρέπει να φορτίζονται σε τακτική βάση για να παρέχουν μια συνεχή πηγή καθοδικού ρεύματος προστασίας και θα πρέπει να γίνεται έλεγχος για τυχόν υπερφόρτισή τους. Ο σχεδιασμός της ηλιακής ή αιολικής γεννήτριας θα πρέπει να γίνεται με βάση τις τοπικές καιρικές συνθήκες, έτσι ώστε να υπάρχει αυτονομία στην μπαταρία τα διαστήματα χωρίς ήλιο ή άνεμο. Οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες είναι συσκευές που μετατρέπουν τη θερμότητα (διαφορές θερμοκρασίας) απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η μετατροπή της θερμικής σε ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση στοιχείων που δεν απαιτούν συντήρηση και έχουν εγγενώς υψηλή αξιοπιστία. Αυτό τις καθιστά κατάλληλες για δομές με χαμηλές ενεργειακές ανάγκες σε απομακρυσμένες ή δυσπρόσιτες ακατοίκητες περιοχές, όπως βουνοκορφές ή τον ωκεανό. Έχουν χαμηλή απόδοση και υψηλό κόστος Σταθμοί ελέγχου Σταθμοί ελέγχου θα πρέπει να παρέχονται για δομές που προστατεύονται από συστήματα καθοδικής προστασίας εξωτερικού ρεύματος. Συνήθως, αυτοί οι σταθμοί είναι απλά σημεία σύνδεσης ενός βολτόμετρου για τη μέτρηση του δυναμικού της δομής. Γενικά, σε συστήματα εξωτερικού ρεύματος δεν χρησιμοποιούνται οι ίδιοι σταθμοί ελέγχου, που αξιοποιούνται σε γαλβανικά συστήματα Πλεονεκτήματα και περιορισμοί [5] Τα συστήματα εξωτερικού ρεύματος έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι : Ικανά να παράγουν υψηλή DC τάση (η διαφορά δυναμικού περιορίζεται μόνο από το μέγεθος της πηγής ενέργειας). Ικανά να παράγουν ένα σχετικά μεγάλο ρεύμα, ακόμα και σε ηλεκτρολύτες υψηλής ειδικής αντίστασης Εφαρμόσιμα σε οποιουδήποτε μεγέθους δομές, ακόμα και αν αυτές δεν έχουν επικάλυψη Ικανά να παρέχουν μια ευέλικτη έξοδο, η οποία μπορεί να ικανοποιήσει μεταβολές και προσθήκες, στη δομή που προστατεύεται. Χρειάζονται λιγότερες άνοδοι συγκριτικά με την προηγούμενη μέθοδο Γενικά, όμως, πρέπει να ληφθεί μέριμνα κατά το σχεδιασμό για να ελαχιστοποιηθεί η αλληλεπίδραση με άλλες δομές. Είναι αναγκαία η παροχή ηλεκτρικού ρεύματος από το δίκτυο ή άλλη εναλλακτική πηγή ενέργειας (ηλιακή, αιολική, κ.λπ.). Επίσης συστήματα εξωτερικού ρεύματος έχουν υψηλό κόστος συντήρησης και λειτουργίας. 37

44 2.7 Παραγοντες Σχεδιασμου Δυναμικό προστασίας [3][4] Το Σχήμα 2.3 δείχνει ότι ο ρυθμός διάλυσης του σιδήρου (ή οποιοδήποτε άλλου μετάλλου) μειώνεται καθώς το δυναμικό γίνεται πιο αρνητικό. Το Σχήμα 2.5 δείχνει ότι το ρεύμα που απαιτείται για να επιτευχθεί ένα οποιοδήποτε δυναμικό κάτω από το δυναμικό διάβρωσης (Ε corr ) θα ποικίλλει ανάλογα με τη σύνθεση του διαβρωτικού διαλύματος, π.χ. απουσία οξυγόνου απαιτείται μικρότερη ποσότητα ρεύματος, η οποία αυξάνεται σε μία οριακή τιμή όταν υπάρχει αρκετό οξυγόνο. Προκύπτει, λοιπόν, ότι το ρεύμα που απαιτείται για την πρόληψη της διάβρωσης ποικίλλει ανάλογα με το περιβάλλον και ως εκ τούτου δεν μπορεί να είναι μια κατηγορηματική ένδειξη της αποτελεσματικότητας της προστασίας. Αντίθετα, από τα Σχήματα 2.3 και 2.5 φαίνεται πως η μέτρηση του δυναμικού είναι πιο αξιόπιστη. Το δυναμικό, λοιπόν, των επιφανειών της δομής που πρόκειται να προστατευθούν είναι το κριτήριο για τον προσδιορισμό εάν η δομή προστατεύεται αποτελεσματικά ή όχι. Στην πράξη, το δυναμικό της δομής μετριέται χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς. Ιδανικά, για να πετύχουμε υψηλό βαθμό ακρίβειας και προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν τα σφάλματα μέτρησης, το ηλεκτρόδιο αναφοράς πρέπει να είναι πολύ κοντά στην επιφάνεια στην οποία μετριέται το δυναμικό. Το πιο ευρέως αποδεκτό κριτήριο για την προστασία του χάλυβα σε αερόβιες συνθήκες με σχεδόν ουδέτερο ph είναι V σε σχέση με ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς Cu/CuSO 4. Σε αναερόβιες συνθήκες το επιθυμητό δυναμικό προστασίας είναι V έναντι του Cu/CuSO 4. Τα αποτελέσματα ενός εργαστηριακού προσδιορισμού του δυναμικού προστασίας του χάλυβα φαίνονται στο Σχήμα Συνήθως υπάρχουν διάφοροι περιορισμοί ως προς το πιο αρνητικό δυναμικό που μπορεί να επιβληθεί κατά τη διάρκεια καθοδικής προστασίας για χάλυβα υψηλής αντοχής (συνήθως -1.0 V έναντι Cu/CuSO 4 ). Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι δεν είναι απαραίτητη η ακριβής υλοποίηση του δυναμικού προστασίας για άριστο έλεγχο της διάβρωσης. Σχήμα 2.17 Προσδιορισμός δυναμικού προστασίας του χάλυβα σε θαλασσινό νερό [3] Μερικά δυναμικά προστασίας και για άλλα μέταλλα αναφέρονται στον Πίνακα 2-7. Τα κράματα χαλκού διαβρώνονται σε αερόβιες συνθήκες. Έτσι, μερικές 38

45 φορές πρέπει να εφαρμοστεί καθοδική προστασία. Καθίσταται δε ιδιαίτερα σημαντικό όταν ο σχεδιασμός ενός αντικειμένου οδηγεί το χαλκό να είναι η άνοδος σε ένα γαλβανικό κύτταρο (π.χ. ένας σωλήνας από κράμα χαλκού σε έναν εναλλάκτη θερμότητας τιτανίου). Τα δυναμικά προστασίας των αμφοτερικών μετάλλων, όπως ο μόλυβδος και το αλουμίνιο, θα πρέπει να ελέγχονται προσεκτικά, διότι σε πολύ αρνητικές τιμές δημιουργείται περίσσεια αλκαλίων στις επιφάνειες αυτών των μετάλλων και προκαλείται επιταχυνόμενη διάβρωση. Μέταλλο ή κράμα Πίνακας 2-7 Ελάχιστο δυναμικό για καθοδική προστασία [4] Cu/CuSO 4 (έδαφος και νερό) V Ηλεκτρόδιο αναφοράς (και περιβάλλον) Ag/AgCl (θαλασσινό νερό) V Ζn (θαλασσινό νερό) V Σίδηρος και χάλυβας (αερόβιες συνθήκες) Σίδηρος και χάλυβας (αναερόβιες συνθήκες) Μόλυβδος Κράματα χαλκού -0.5 έως έως έως Αλουμίνιο έως έως έως -0.1 Επιπτώσεις υπό-προστασίας / υπέρ-προστασίας [20] Εάν το δυναμικό της δομής που μετριέται δεν είναι αρκετά αρνητικό, ώστε να ικανοποιείται το κριτήριο καθοδικής προστασίας, μπορεί να υπάρξει διάβρωση στη δομή. Ωστόσο, η διάβρωση θα μειώνεται ανάλογα με την ποσότητα του ρεύματος που παρέχεται. Εάν ορισμένα μόνο τμήματα της δομής δεν ικανοποιούν τα κριτήρια, τότε αυτές οι περιοχές θα διαβρωθούν με ρυθμό αντιστρόφως ανάλογο με το ρεύμα που λαμβάνουν. Όταν τα ρεύματα προστασίας διακοπούν εντελώς, η διάβρωση επιστρέφει σε ένα φυσιολογικό ρυθμό μετά από ένα σύντομο χρονικό διάστημα. Τα υπερβολικά αρνητικά δυναμικά, εκτός του ότι αποτελούν σπατάλη σε υλικά ανόδου ή ηλεκτρική ενέργεια, μπορούν να προκαλέσουν αποκόλληση των προστατευτικών επικαλύψεων. Μπορούν να οδηγήσουν στην παραγωγή αέριου υδρογόνου, το οποίο συχνά παγιδεύεται μεταξύ της επικάλυψης και της επιφάνειας και προκαλεί φουσκάλες και αποκόλληση της. Επίσης το υδρογόνο που εκλύεται όταν τα ρεύματα καθοδικής προστασίας είναι αρκετά αρνητικά μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της ολκιμότητας του χάλυβα. Αυτό αφορά κυρίως χάλυβες υψηλής αντοχής (χάλυβες με εύρος αντοχής εφελκυσμού MPa ) Πυκνότητα ρεύματος [3][22] Αναφέρθηκε προηγουμένως ότι το καθοδικό ρεύμα ήταν μια κακή ένδειξη επαρκούς προστασίας. Ενώ, σε μία πρώτη προσέγγιση το δυναμικό προστασίας είναι συνάρτηση του μετάλλου, η πυκνότητα ρεύματος που απαιτείται για την προστασία του είναι συνάρτηση του περιβάλλοντος. Αύξηση στη συγκέντρωση του οξυγόνου του περιβάλλοντος ή στη ροή ρευστού, θα αυξήσει άμεσα την πυκνότητα ρεύματος όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 2.4. Ομοίως, εάν το περιβάλλον γίνει πιο όξινο, η αντίδραση έκλυσης υδρογόνου είναι πιο πιθανό να συμμετάσχει στην αντίδραση 39

46 διάβρωσης, και έτσι θα αυξηθεί η πυκνότητα ρεύματος. Επομένως, η πυκνότητα ρεύματος ποικίλλει ανάλογα με την επιθετικότητα του διαβρωτικού περιβάλλοντος. Για αυτόν το λόγο, η καθοδική προστασία βρίσκει μεγαλύτερη εφαρμογή όπου το ρη είναι κοντά στο ουδέτερο. Τα πιο όξινα περιβάλλοντα συνεπάγονται υψηλό ρεύμα εξόδου που γρήγορα γίνεται αντιοικονομικό. Τα πιο αλκαλικα περιβάλλοντα αποδεικνύονται λιγότερο επιθετικά στη δομή και, συνεπώς, συχνά δεν δικαιολογούν τη χρήση καθοδικής προστασίας. Ορισμένες τυπικές τιμές της πυκνότητας ρεύματος για γυμνό χάλυβα φαίνονται στον Πίνακα 2-8. Πίνακας 2-8 Τυπική πυκνότητα ρεύματος για καθοδική προστασία γυμνού χάλυβα [3] ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΡΕΥΜΑΤΟΣ (ma/m 2 ) Ουδέτερα εδάφη Όξινα εδάφη Γλυκό νερό Θαλασσινό νερό Σκυρόδεμα Προστατευτικές επικαλύψεις [3][20] Οι προστατευτικές επικαλύψεις είναι ένα συνηθισμένο μέτρο άμβλυνσης των επιπτώσεων της διάβρωσης σε πολλά περιβάλλοντα. Η λειτουργία τους είναι να μειώσουν τις περιοχές μετάλλου που εκτίθενται στον ηλεκτρολύτη (έδαφος ή νερό). Ωστόσο σχεδόν όλες οι επικαλύψεις συχνά περιέχουν ατέλειες, και έτσι πάντα θα υπάρχουν μικρές περιοχές που εκτίθενται απευθείας στο διαβρωτικό περιβάλλον. Η παροχή μιας προστατευτικής/μονωτικής επικάλυψης στη δομή μειώνει σημαντικά το απαιτούμενο ρεύμα για καθοδική προστασία και παράλληλα αυξάνει την αποτελεσματική και ομοιόμορφη εξάπλωσή του. Έτσι, το μεγαλύτερο μέρος της προστασίας παρέχεται από την επικάλυψη και η καθοδική προστασία παρέχει ουσιαστικά προστασία στις ατέλειες της επικάλυψης. Αυτη η ιδανική συμπληρωματική συμπεριφορά συμβαίνει επειδή οι ατέλειες της επικάλυψης αποτελούν μια διαδρομή χαμηλής αντίστασης, και ως εκ τούτου έναν προτιμώτερο δρόμο, προς τη δομή, για το ρεύμα καθοδικής προστασίας. Είναι εμφανές ότι η επικάλυψη δεν χρειάζεται να επιτύχει συνολική κάλυψη της επιφανείας και το σύστημα καθοδικής προστασίας πρέπει να παρέχει μόνο ένα μέρος του ρεύματος που θα απαιτούνταν για να προστατεύσει μία γυμνή δομή. Ένας συνδυασμός επικάλυψης και καθοδικής προστασίας συνήθως έχει ως αποτέλεσμα την πιο πρακτική και οικονομική συνολική προστασία του συστήματος. Το Σχήμα 2.18 δείχνει σχηματικά ότι υπάρχει ένας βέλτιστος συνδυασμός ποιότητας επικάλυψης και καθοδικής προστασίας. 40

47 Σχήμα 2.18 Οικονομικό όφελος από την ταυτόχρονη χρήση επικάλυψης και καθοδικής προστασίας. [20] Μια επικάλυψη επιδεινώνεται χημικά και μηχανικά κατά τη διάρκεια της ζωής της. Αυτό οδηγεί σε μια προοδευτική αύξηση τόσο του αριθμού των ατελειών της όσο και του ρεύματος που απαιτείται για την προστασία της επιφάνειας της δομής. Αυτό σημαίνει ότι το σύστημα καθοδικής προστασίας θα πρέπει να έχει εγκατασταθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να παρέχει αυτό το επιπλέον ρεύμα. Αυτό επιτυγχάνεται εύκολα σε ένα σύστημα εξωτερικού ρεύματος, καθώς εάν έχει σχεδιαστεί σωστά, η τάση εξόδου μπορεί να αυξάνεται για να παρέχει το απαιτούμενο ρεύμα. Είναι πιο δύσκολο στην περίπτωση ενός συστήματος θυσιαζόμενης άνοδου, διότι, καθώς οι άνοδοι μικραίνουν (αφού διαλύονται θυσιαστικά), δεν είναι ικανές να παρέχουν περισσότερο ρεύμα. Παρά την τελευταία αυτή δυσκολία, η καθοδική προστασία εφαρμόζεται συνήθως σε επικαλυμμένες δομές. Έτσι τα πλοία, αποβάθρε, προβλήτες και σχεδόν όλοι οι υπόγειοι αγωγοί επικαλύπτονται όταν εφαρμόζεται καθοδική προστασία. Επίσης το σύστημα επικάλυψης θα πρέπει να είναι συμβατό με την καθοδική προστασία και το επίπεδο της καθοδικής προστασίας δεν θα πρέπει να είναι υπερβολικό. Για παράδειγμα, ένα αυξημένο pη που παράγεται σε μια δομή με καθοδική προστασία μπορεί να βλάψει επικαλύψεις πλούσιες σε ψευδάργυρο, και αυτές με τη σειρά τους να οδηγήσουν σε ανακριβείς ενδείξεις κατά τον έλεγχο της διάβρωσης. Ιδανικές επικαλύψεις είναι εκείνες που έχουν υψηλή ηλεκτρική αντίσταση, είναι συνεχείς και προσκολλώνται ισχυρά στην επιφάνεια που πρόκειται να προστατευθεί. Άλλα επιθυμητά χαρακτηριστικά της επικάλυψης περιλαμβάνουν: σταθερότητα στο περιβάλλον, αντοχή στην τριβή, και συμβατότητα με το αλκαλικό περιβάλλον που δημιουργείται ή ενισχύεται από την καθοδική προστασία. Ορισμένες επικαλύψεις που μπορεί να επιτρέπονται σε μια περίσταση μπορεί να μην επιτρέπονται σε άλλη. Για αυτό η επιλογή τους πρέπει να γίνεται πολύ προσεκτικά. Παράγοντες που είναι κρίσιμοι για την απόδοση μιας επικάλυψης περιλαμβάνουν: τον καθαρισμό των επιφανειών και την προετοιμασία τους πριν από την τοποθέτηση της επικάλυψης, τις περιβαλλοντικές συνθήκες (π.χ., θερμοκρασία και υγρασία) κατά την εφαρμογή της και τη συντήρηση μιας συγκεκριμένης επικάλυψης. 41

48 2.7.4 Ασβεστολιθική επίστρωση [3] Στο θαλασσινό νερό, η καθοδική προστασία γυμνών δομών είναι πιο οικονομική εξαιτίας μιας προστατευτικής επίστρωσης στην επιφάνεια των δομών η οποία σχηματίζεται κατά τη διάρκεια της καθοδικής προστασίας μέσω αποσύνθεσης του θαλασσινού νερού. Κατά τη διάρκεια της καθοδικής προστασίας το διαλυμένο οξυγόνο ανάγεται για να παράγει ιόντα υδροξυλίου: O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - Τα ιόντα υδροξυλίου που σχηματίζονται στην επιφάνεια της προστατευόμενης δομής αντιδρούν με όξινα ανθρακικά ιόντα που υπάρχουν στο θαλασσινό νερό για να σχηματίσουν ανθρακικά ιόντα: OH - + HCO 3 - CO H 2 O τα οποία στη συνέχεια αντιδρούν με ιόντα ασβεστίου που περιέχονται στο θαλασσινό νερό και καθιζάνουν σαν αδιάλυτο ανθακικό ασβέστιο στην επιφάνεια του μετάλλου: CO Ca 2+ CaCO 3 Ομοίως, το θαλασσινό νερό περιέχει ιόντα μαγνησίου τα οποία μπορούν να αντιδράσουν με ιόντα υδροξυλίου για να σχηματίσουν άμεσα υδροξείδιο του μαγνησίου: Mg OH - Mg(OH) 2 Επειδή απαιτούνται περισσότερα ιόντα υδροξυλίου για να προκαλέσουν το υδροξείδιο του μαγνησίου να καθιζάνει, το μαγνήσιο σχεδόν πάντοτε βρίσκεται στα ασβεστολιθικά ιζήματα συνδεδεμένο με ασβέστιο και η παρουσία του είναι ένας δείκτης του υψηλού διεπιφανειακού pη. Οι πρακτικές συνέπειες αυτών των γεγονότων είναι ότι μόλις η ασβεστολιθική ταινία σχηματιστεί, μια καθοδική πυκνότητα ρεύματος τουλάχιστον κατά μία τάξη μεγέθους μικρότερη από την απαιτούμενη για την προστασία γυμνών δομών είναι απαραίτητη για να διατηρηθεί η ίδια προστασία. Αν και μια προσωρινή ζημιά στην ταινία (για παράδειγμα, η δράση καταιγίδας) μπορεί να δημιουργήσει μια προσωρινή αύξηση στην ζήτησητου ρεύματος, η ταινία σύντομα επισκευάζεται και η χαμηλότερη ζήτηση αποκαθίσταται. Υπάρχει, ωστόσο, ένας κίνδυνος σε υπερβολική καθοδική πόλωση: υδρογόνο εκλύεται στην επιφάνεια της δομής το οποίο, όπως προκύπτει, μπορεί το ίδιο να διαταράξει την ταινία μηχανικά. Δεδομένου ότι το οξυγόνο συνεχίζει να παράγεται όσο υπάρχει υπερβολική πόλωση, υπάρχει συνεχιζόμενη μηχανική βλάβη στην ταινία και ως εκ τούτου μια μόνιμη αύξηση του καθοδικού ρεύματος που απαιτείται για προστασία. 42

49 2.7.5 Ηλεκτρική μόνωση [20] Ηλεκτρική μόνωση χρησιμοποιείται περιστασιακά για την μόνωση τμημάτων των δομών, έτσι ώστε η προστασία του κάθε τμήματος να μπορεί να γίνεται χωριστά ή να μπορεί να αποτρέψει ένα τμήμα μιας δομής από το να θυσιάζει τον εαυτό του σε ένα γαλβανικό κύτταρο. Μπορεί επίσης να απομονώσει μια καθοδικά προστατευμένη δομή από μία δομή χωρίς προστασία Ηλεκτρική συνέχεια [20] Στις περισσότερες περιπτώσεις, η δομή που πρόκειται να προστατευθεί πρέπει να είναι ηλεκτρικώς συνεχής. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για σωληνώσεις, οπλισμένο χάλυβα, θεμέλια πασσάλων. Όπου δεν υπάρχει ηλεκτρική συνέχεια, είναι απαραίτητη η εγκατάσταση αρμών σύνδεσης ώστε να εξασφαλίζεται ότι όλα τα τμήματα της δομής που πρέπει να προστατεύονται θα είναι ηλεκτρικώς συνεχή ή σε διαφορετική περίπτωση η δομή μπορεί να προστατεύεται με τη χρήση ανεξάρτητων συστημάτων καθοδικής προστασίας για κάθε ηλεκτρικά μονωμένο τμήμα της δομής Εξασθένηση δυναμικού [22] Όπως έχει αναφερθεί νωρίτερα, η καθοδική προστασία επιτυγχάνεται προκαλώντας ηλεκτρικό ρεύμα να ρεύσει από τον ηλεκτρολύτη μέσα σε μια δομή σε όλα τα σημεία της. Το κριτήριο για την προστασία είναι, ότι το δυναμικό του μετάλλου σε σχέση με τον ηλεκτρολύτη, θα πρέπει να είναι σε όλα τα σημεία πιο αρνητικό από το δυναμικό προστασίας (Πίνακας 2-7). Το ρεύμα που απαιτείται θα ποικίλλει ανάλογα με το μέγεθος της δομής και τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Ένα κύκλωμα καθοδικής προστασίας περιλαμβάνει την άνοδο, τη δομή, το περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται και στην περίπτωση ενός συστήματος εξωτερικού ρεύματος την πηγή ενέργειας. Το δυναμικό, από την πηγή ενέργειας ή από την φυσική διαφορά ανόδου-καθόδου, χρησιμοποιείται για να πολώσει τη δομή στο επιθυμητό δυναμικό. Όμως, η συνολική αντίσταση του κυκλώματος σε διάφορα μέρη μιας πολύ μεγάλης δομής θα διαφέρει και, εκεί όπου η αντίσταση είναι υψηλότερη, η τάση που διατίθενται για την πόλωση της δομής θα είναι χαμηλότερη. Όταν η πτώση τάσης είναι αισθητή, αναμένεται να υπάρχει κάποια μεταβολή στο επίπεδο της πόλωσης. Αυτή η μεταβολή του δυναμικού αναφέρεται ως εξασθένηση. Στην πράξη, η κατανομή του ρεύματος σε μια δομή είναι δύσκολο να ελεγχθεί. Αν θεωρήσουμε την προστασία ενός σωλήνα με μια άνοδο, πρέπει να είναι σαφές ότι θα υπάρξει μια υψηλότερη πυκνότητα ρεύματος στο σημείο πάνω στον αγωγό πλησιέστερα στην άνοδο από ό, τι αλλού. Το αποτέλεσμα απεικονίζεται στο Σχήμα Δεδομένου ότι για να διασφαλιστεί η πλήρης προστασία της δομής θα πρέπει να πολωθεί παντού τουλάχιστον στο δυναμικό προστασίας, ένα μέρος της πρέπει να πολωθεί σε μεγαλύτερο βαθμό. Η επίδραση μπορεί να ελαχιστοποιηθεί με τη χρήση περισσότερων ανόδων, αλλά αυτό θα αυξήσει σημαντικά το κόστος εγκατάστασης. 43

50 Σχήμα 2.19 Κατανομή δυναμικού ρεύματος κατά μήκος ενός αγωγού [22] Κίνδυνοι που πρέπει να αποφεύγονται [3] Υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί στη χρήση της καθοδικής προστασίας. Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως υπεβολικά αρνητικά δυναμικά έχουν αρνητικές συνέπειες για διάφορα μέταλλα και μπορεί αν προκαλέσουν αυξηση του ρυθμού διάβρωσης ή αποκόλληση των επικαλύψεων. Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί επίσης στους κινδύνους που μπορεί να προκληθούν από την εισαγωγή ηλεκτρικού ρεύματος σε μια δομή που βρίσκεται στον ίδιο ηλεκτρολύτη με άλλες δομές. Όταν μια προστατευόμενη δομή ή οι άνοδοι, βρίσκονται κοντά σε άλλες μεταλλικές δομές που δεν είναι πλήρως μονωμένες από τη γη, τότε οι δευτερεύουσες αυτές δομές μπορεί σε ορισμένα σημεία να δεχτούν ένα ποσοστό του προστατευτικού ρεύματος ενεργώντας ως εναλλακτικές διαδρομές χαμηλής αντίστασης. Η διάβρωση θα επιταχυνθεί στη δευτερεύουσα δομή σε οποιοδήποτε σημείο όπου το ρεύμα εκφορτίζεται στον ηλεκτρολύτη. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται "αλληλεπίδραση". Αλληλεπίδραση μπορεί να συμβεί, για παράδειγμα, σε ένα πλοίο που βρίσκεται αγκυροβολημένο δίπλα σε μια καθοδικά προστατευμένη προβλήτα. Η αλληλεπίδραση μπορεί να ελαχιστοποιηθεί με προσεκτικό σχεδιασμό του συστήματος καθοδικής προστασίας. Ειδικότερα, με το σχεδιασμό ενός συστήματος ώστε να λειτουργεί στην χαμηλότερη δυνατή πυκνότητα ρεύματος και διατηρώντας καλό διαχωρισμό μεταξύ της προστατευόμενης και της δευτερεύουσας δομής, καθώς και μεταξύ των ανόδων και της δευτερεύουσας δομής. Είναι πλεονέκτημα των συστημάτων θυσιαζόμενων ανόδων ότι δεν είναι επιρρεπή σε δημιουργία σοβαρών προβλημάτων αλληλεπίδρασης και ως εκ τούτου χρησιμοποιούνται αρκετά συχνά για προστασία σε περιοχές με πολύπλοκες δομές ή σε περιοχές που υπάρχουν πάρα πολλές δομές συγκεντρωμένες. 44

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΚΑΘΟΔΙΚΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΣΕ ΠΛΟΙΑ 3.1 Καθοδική προστασία του κύτους των πλοίων Παράγοντες που επηρεάζουν το σχεδιασμό [5] Κατά την εφαρμογή των τεχνικών που έχουν περιγραφεί στο Κεφαλαίο 2, θα πρέπει να ληφθούν υπόψην οι ακόλουθοι παράγοντες, που εφαρμόζονται ειδικά για τα πλοία. α) Η τοποθέτηση των ανόδων μπορεί να γίνει εύκολα στο εξωτερικό μέρος του κύτους μόνο όταν το πλοίο είναι σε πλωτές ή μόνιμες δεξαμενές. Έτσι οι άνοδοι θα πρέπει να σχεδιάζονται για διάρκεια ζωής που είναι πολλαπλάσια του αναμενόμενου διαστήματος μεταξύ δεξαμενισμών, εκτός αν υπάρχουν δύτες για να αντικαθιστούν τις ανόδους, όταν αυτές είναι βιδωτού τύπου. β) Η αυξημένη οπισθέλκουσα που προκύπτει όταν οι άνοδοι είναι τοποθετημένες επί του κύτους μπορεί να χρειαστεί να ληφθεί υπόψη κυρίως στα συστήματα γαλβανικών ανόδων, όπου χρησιμοποιείται ένας μεγάλος αριθμός ανόδων. Στα συστήματα εξωτερικού ρεύματος η οπισθέλκουσα είναι σχεδόν αμελητέα. Η πιθανή αύξηση της αντίστασης του κύτους πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στο στάδιο του σχεδιασμού. Αν η επίδραση της κριθεί σημαντική, οι άνοδοι θα πρέπει να διαμορφωθούν και να τοποθετηθούν έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθεί ο στροβιλισμός στις γραμμές ροής γύρω από το κύτος. Η σημασία της οπισθέλκουσας αυξάνει με την ταχύτητα του σκάφους. Μια αύξηση στην αντίσταση του κύτους θα οδηγήσει σε μια σημαντική αύξηση ισχύος για να διατηρήσει μια δεδομένη ταχύτητα και ως ε τούτου αυξημένη κατανάλωση καυσίμου. γ) Οι ρυθμοί διάβρωσης είναι συνήθως υψηλότεροι στην πρύμνη. Αυτό οφείλεται κυρίως στον αυξημένο στροβιλισμό κοντά στην προπέλα (-ες) και το σχηματισμό ενός κυττάρου μεταξύ μιας χάλκινης προπέλας και του χάλυβα του κύτους. Λόγω αυτών των αποτελεσμάτων, μερικές φορές παρέχεται καθοδική προστασία μόνο στην περιοχή της πρύμνης. δ) Η ηλεκτρική επαφή μεταξύ της προπέλας και του κύτους είναι στην καλύτερη περίπτωση διακοπτόμενη. Εάν δεν ληφθούν μέτρα για τη δημιουργία μιας ηλεκτρικής επαφής χαμηλής αντίστασης μεταξύ του άξονα της προπέλας και του κύτους (βλέπε 3.1.2), η προπέλα δεν θα πρέπει να θεωρηθεί ότι καλύπτεται από το σύστημα προστασίας. Αν η προπέλα πρόκειται να υπαχθεί στο σύστημα προστασίας θα πρέπει να γίνει μια πρόβλεψη στο σχεδιασμό του συστήματος για το επιπλέον ρεύμα που θα ρέει προς τα πτερύγια της. ε) Έντονα αρνητικά δυναμικά μπορεί να προκαλέσουν ζημιά στη βαφή. Τα κύτη των πλοίων είναι πάντοτε βαμμένα και η οικονομική χρήση της καθοδικής προστασίας απαιτεί εφαρμογή χρωμάτων που θα αντέχουν τις χημικές και φυσικές επιδράσεις που συμβαίνουν (αλκαλικά περιβάλλοντα, αποσύνδεση επικάλυψης). Γιαυτό το λόγο, θα 45

52 πρέπει να δωθεί προσοχή για να εξασφαλιστεί ότι οι βαφές που χρησιμοποιούνται είναι συμβατές με τα δυναμικά προστασίας που απαιτούνται. στ) Οι απαιτήσεις ρεύματος για την καθοδική προστασία του κύτους του πλοίου ποικίλλουν. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας παραγόντων, όπως η ταχύτητα του πλοίου σε σχέση με το νερό, και η υποβάθμιση του χρώματος. Δεν υπάρχει γενικός κανόνας που μπορούμε να πούμε όσον αφορά στην επιλογή μεταξύ της μεθόδου θυσιαζόμενων ανόδων ή εξωτερικού ρεύματος. Αυτό θα πρέπει να βασίζεται σε προσεκτική εκτίμηση των σχετικών περιστάσεων και της συνολικής οικονομίας του συστήματος. Η απόφαση θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη τους παράγοντες που καθορίζουν την ποσότητα του υλικού των ανόδων, καθώς και τη σημασία που αποδίδεται στην αυξημένη οπισθέλκουσα Προετοιμασία για καθοδική προστασία Σύνδεση προπέλας, πηδαλίου και σταθεροποιητικών πτερυγίων [5][6] Καθοδική προστασία απαιτείται για όλα τα μεταλλικά εξαρτήματα του πλοίου όπως προπέλα, πηδάλιο, σταθεροποιητικά πτερύγια (αν υπάρχουν) κ.λ.π.. Θα πρέπει να εξασφαλίζεται με τα κατάλληλα μέσα η ηλεκτρική σύνδεσή τους με το κύτος και η παροχή καθοδικού ρεύματος προστασίας προκειμένου να αποφευχθεί επιζήμια γαλβανική διάβρωση του γειτονικού κύτους ή η πιθανότητα ζημιάς που μπορεί να προκληθεί στα ρουλεμάν και στα γρανάζια με ηλεκτρικό τόξο. Ο άξονας της προπέλας συνδέεται ηλεκτρικά με το κύτος του πλοίου μέσω ενός δακτυλίου ολίσθησης και ψηκτρών. Για να είναι αποτελεσματική κάθε ψήκτρα θα πρέπει να διατηρεί μια αντίσταση προς τον άξονα μικρότερη από 0,01 Ω. Αν και στο εμπόριο υπάρχουν διαθέσιμοι πολλοί συνδυασμοί δακτυλίου και ψηκτρών, έχει αποδειχθεί ότι μόνο οι ψήκτρες υψηλές σε περιεκτικότητα σε ασήμι και ανάλογοι δακτύλιοι μπορούν να παρέχουν μια αποτελεσματική και σταθερή χαμηλή αγωγιμότητα, απαραίτητη να διασφαλίσει αυτή τη χαμηλή αντίσταση. Εικόνα 3.1 Ηλεκτρική σύνδεση προπέλας 46

53 Για για την παρακολούθηση της ποιότητας της σύνδεσης του άξονα της προπέλας θα πρέπει να υπάρχει μια διάταξη για τη μέτρηση της διαφοράς δυναμικού μεταξύ άξονα / κύτους. Για το λόγο αυτό συνήθως τοποθετούμε ένα βολτόμετρο (με υψηλή εσωτερική αντίσταση) σε μία πρόσθετη ψήκτρα, μονωμένη από το κύτος. Στην Εικόνα 3.2 παρουσιάζεται μια διάταξη για την παρακολούθηση της ηλεκτρικής σύνδεσης όταν το πλοίο είναι σε λειτουργία. Μια μέτρηση 0 mv μεταξύ του άξονα και του κύτους συνιστά βέλτιστη ηλεκτρική συνέχεια στη σύνδεση, ενώ εάν η διαφορά δυναμικού διατηρείται κάτω από 100 mv (με τον άξονα να περιστρέφεται) η σωστή λειτουργία παραμένει. Σε προπέλες από χαλκό (ή κράματα που δίνουν μια μεγάλη φυσική διαφορά δυναμικού μεταξύ της προπέλας και του κύτους), η σύνδεση δημιουργεί ένα γαλβανικό κύτταρο το οποίο θα επιταχύνει τη διαδικασία διάβρωσης, εάν το σύστημα καθοδικής προστασίας είναι εκτός λειτουργίας. Εικόνα 3.2 Τυπική διάταξη για παρακολούθηση της σύνδεσης άξονα προπέλας / κύτους Στην περίπτωση των πηδαλίων και των σταθεροποιητικών πτερυγίων από χάλυβα, είναι φυσιολογικό να συνδεθούν για να εξασφαλιστεί ότι παρέχεται η προστασία. Οι άξονες αυτών των εξαρτημάτων ταλαντώνονται και επομένως είναι σκόπιμο να χρησιμοποιήσουμε εύκαμπτα καλώδια για τη σύνδεση με την παρακείμενη επιφάνεια του κύτους. Η αντίσταση της ένωσης και των συνδέσεων, τόσο στην επιφάνεια του κύτους όσο και στον άξονα πρέπει να είναι τέτοια ώστε να εξασφαλίζεται ότι εμφανίζονται πολύ μικρές διαφορές δυναμικού (λιγότερο από 20 mv). Συνήθως οι τιμές αντίστασης που απαιτούνται είναι της τάξης των Ω. 47

54 Εικόνα 3.3 Ηλεκτρική σύνδεση πηδαλίου [6] Προστατευτικές επικαλύψεις για το κύτος του πλοίου [5][14][21] Η καθοδική προστασία δεν εξαλείφει την ανάγκη τοποθέτησης προστατευτικών επικαλύψεων στο κύτος του πλοίου. Οι επικαλύψεις συμβάλλουν στην παθητική προστασία των πλοίων και είναι απαραίτητες για την παροχή των αντιρρυπαντικών ιδιοτήτων τους. Ο συνδυασμός τους με την καθοδική προστασία, έχει σαν στόχο να μειώσει ουσιαστικά το απαιτούμενο ρεύμα προστασίας και να οδηγήσει στην καλύτερη κατανομή του στην επιφάνεια του μετάλλου. Εκτός από τη χημική και μηχανική αντοχή, η ηλεκτρική αντίσταση της επικάλυψης καθορίζει την ποιότητά της. Επικαλύψεις βασιζόμενες σε καλή ρητίνη μπορεί να έχουν ηλεκτρική αντίσταση έως και πάνω από 10 5 Ω m 2. Βέβαια μετά την εμβάπτισή τους στο νερό, η αντίσταση μπορεί να πέσει αρκετά μέχρι και 30 Ω m 2. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την αντίσταση μιας επικάλυψης είναι το πάχος, ο τύπος της επικάλυψης και η ποιότητα της προετοιμασίας του υποστρώματος. Οι λεπτές επικαλύψεις, σε αντίθεση με τις πιο παχιές, σε συνδυασμό με καθοδική προστασία παρουσιάζουν ορισμένους κινδύνους στα πλοία. Φυσαλίδες γεμάτες αλκάλια, μετανάστευση ιόντων, και (ανάλογα με τη συγκέντρωση αλκαλίων) το δυναμικό, η θερμοκρασία και η ιδιότητες της επικάλυψης θα πρέπει να εξετάζονται. Για την αποφυγή δημιουργίας φυσαλίδων η καθοδική προστασία θα πρέπει να περιορίζεται σε αρνητικά δυναμικά, π.χ. 0,65 V. Οι φυσαλίδες είναι ανεπιθύμητες στην επιφάνεια του πλοίου γιατί αυξάνουν την αντίσταση στην κίνηση. Ένα από τα αντικείμενα της καθοδικής προστασίας είναι να μειώσει την αντίσταση στην κίνηση του πλοίου με την πρόληψη του σχηματισμού όγκων σκουριάς. Σε γενικές γραμμές, αυτή η αντίσταση οφείλεται κατά 70% στην τριβή και 30% στο σχήμα του πλοίου και την αντίσταση του κύματος. Το τελευταίο είναι σταθερό για ένα συγκεκριμένο πλοίο, όμως η αντίσταση της τριβής μπορεί να αυξηθεί μέχρι και 20% κατά τη διάβρωση. Ένας άλλος παράγοντας που αυξάνει την αντίσταση στην κίνηση είναι οι θαλάσσιοι όγκοι που αναπτύσσονται στο κύτος, οι οποίοι μπορούν να αντιμετωπιστούν με αντιρρυπαντικές επικαλύψεις. Η απώλεια της απόδοσης που προκαλείται από την τραχύτητα μπορεί να αντιστοιχεί σε μια αύξηση 48

55 της τάξης του 12% στην κατανάλωση καυσίμου. Η απώλεια που οφείλεται στους θαλάσσιους όγκους μπορεί να είναι τρεις φορές μεγαλύτερη. Το σύστημα επικάλυψης που θα χρησιμοποιηθεί θα πρέπει να επιλέγεται με προσοχή και να εφαρμόζεται σύμφωνα με τις οδηγίες του κατασκευαστή. Γενικά θα πρέπει να προσδιορίζεται: ποια συστήματα επικάλυψης (είδος, πάχος και αριθμός στρώσεων) θα εφαρμοστούν και που εξοπλισμός για τον έλεγχο της υγρασίας του αέρα, της θερμοκρασίας και του εξαερισμού επεξεργασία της επιφάνειας του κύτους εφαρμογή της επικάλυψης και η συντήρηση διαδικασία επισκευής για τυχόν ζημιές μέθοδοι δοκιμών και τα κριτήρια αποδοχής Επικαλύψεις με βάση το πετρέλαιο και τα ελαιορηνιτικά χρώματα δεν είναι συμβατές με την καθοδική προστασία, γιατί επηρεάζονται από τα αλκάλια που δημιουργούνται στο κύτος (κάθοδος) λόγω της ηλεκτρολυτικής δράσης. Για τέτοιου είδους εφαρμογές είναι ιδανικές επικαλύψεις υψηλής ποιότητας ανθεκτικές στα αλκάλια και θα πρέπει να χρησιμοποιούνται πάντα σε περιοχές με δυναμικά πιο αρνητικά από - 0,9 V (ηλεκτρόδιο αργύρου / χλωριούχου αργύρου). Τέτοιου είδους επικαλύψεις βασίζονται σε εποξική ρητίνη, χλωριωμένο καουτσούκ, λιθανθρακόπισσα και άλλου ασφαλτούχου τύπου χρώματα, βινύλιο ή άλλα υλικά ανθεκτικά σε αλκάλια. Η επιφάνεια του κύτους θα πρέπει να είναι κατάλληλα προετοιμασμένη πριν την εφαρμογή της επικάλυψης για να εξασφαλιστεί μια καλή προσκόλληση. Συνήθως προτείνεται μια προετοιμασία επιφάνειας σε βαθμό Sa 2½ σύμφωνα με το πρότυπο ISO Η συμβατότητα του συστήματος επικάλυψης με την καθοδική προστασία πρέπει να ληφθεί επίσης υπόψην κατά το σχεδιασμό, αλλιώς η προστασία δεν μπορεί να εξασφαλιστεί σωστά. Η συμβατότητα των επικαλύψεων συνήθως εκτιμάται με τυπικές εργαστηριακές δοκιμές, όπως στο ASTM G8. Οικονομικοί λόγοι θα καθορίσουν κατά πόσον οι επικαλύψεις θα εφαρμόζονται σε όλο το κύτος του πλοίου ή μόνο σε περιοχές κοντά στις ανόδους. Εκτός από την προσεκτική προετοιμασία της επιφάνειας, αυτές οι επικαλύψεις υψηλής ποιότητας απαιτούν ειδικές κλιματικές συνθήκες, όπως υγρασία και θερμοκρασία, καθώς και έλεγχο του πάχους του φιλμ. Στις ανοικτές προβλήτες, ακόμη και σε κλιματολογικά ευνοϊκές ζώνες, όπως η Κεντρική Ευρώπη, οι συνθήκες αυτές μπορούν να δημιουργηθούν μόνο με σημαντικό κόστος. Οι φυσαλίδες επηρεάζονται από το συνολικό πάχος του φιλμ, καθώς και από τις συνθήκες εφαρμογής και του υλικού επικάλυψης. Το ελάχιστο πάχος φιλμ που απαιτείται είναι πάνω από 250 μm, χωρίς να λαμβάνεται υπόψην το αντιρρυπαντικό τμήμα. 49

56 Παραδείγματα συστημάτων επικαλύψεων σε κύτοι πλοίων δίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 3-1 Συστήματα επικαλύψεων σε κύτος πλοίου [14] Περιοχή Τύπος επικάλυψης Πάχος (μm) Εξωτερικό κύτος, κάτω από το νερό Όπως παραπάνω Όπως παραπάνω Εποξική ρητίνη ή λιθανθρακόπισσα + αντιρρυπαντική βαφή Πίσσα βινυλίου + αντιρρυπαντική βαφή χλωριωμένο καουτσούκ + αντιρρυπαντική βαφή Αριθμός στρώσεων Εξωτερικό κύτος, στον πάγο Εποξική ρητίνη χωρίς διαλύτες Εξωτερικό κύτος, πάνω από το χλωριωμένο καουτσούκ νερό, κατάστρωμα, κουκέτες Όπως παραπάνω Εποξική ρητίνη Όπως παραπάνω βινύλιο Αρχικές παράμετροι σχεδιασμού [5][6] Πριν επιλέξουμε τον τύπο καθοδικής προστασίας, γαλβανικές άνοδοι ή εξωτερικό ρεύμα, που θα χρησιμοποιηθεί και πριν το σχεδιασμό του συστήματος καθοδικής προστασίας, θα πρέπει να συγκεντρωθούν κάποιες αρχικές πληροφορίες. Οι διαστάσεις του πλοίου που πρόκειται να προστατευθεί. Είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τις διαστάσεις (π.χ. μήκος, βύθισμα) για τον υπολογισμό της επιφάνειας που πρόκειται να προστατευθεί. Υποδιαίρεση της δομής. Οι βυθισμένες επιφάνειες του κύτους ενός πολύ μεγάλου πλοίου μπορούν να χωριστούν σε διάφορες ζώνες καθοδικής προστασίας, οι οποίες στη συνέχεια θα θεωρούνται ανεξάρτητες κατά το σχεδιασμό παρόλο που δεν είναι ηλεκτρικά μονωμένες. Για παράδειγμα, το υποβρύχιο κύτος του πλοίου μπορεί να διαιρεθεί σε δύο κύριες ζώνες: η μπροστινή ζώνη (πλώρη) και η πίσω ζώνη (πρύμνη). Η υποδιαίρεση αυτή σχετίζεται με την υψηλότερη ζήτηση ρεύματος της πίσω ζώνης λόγω της έντονης ροής του νερού, του στροβιλισμού και την παρουσία των ανόμοιων μετάλλων εξαιτίας της έλικας (-ες). Η πίσω ζώνη περιλαμβάνει τα ακόλουθα εξαρτηματα: το πίσω μέρος του κύτους, προπέλα (-ες), άξονα (-ες), πηδάλιο (-ες), κ.λπ. Ηλεκτρική μόνωση. Για να προστατευθεί ένα πλοίο με καθοδική προστασία θα πρέπει να συνδεθεί ηλεκτρικά με κάποιες ανόδους. Ωστόσο, όπως έχει αναφερθεί, κάποια τμήματα μιας δομής ή ενός συστήματος μπορεί να πρέπει να είναι ηλεκτρικά μονωμένα από άλλα. Θα πρέπει επομένως να γνωρίζουμε ποια τμήματα του πλοίου θα είναι απομονωμένα. Ειδική αντίσταση του ηλεκτρολύτη. Ο ρυθμός διάβρωσης εξαρτάται από την ειδική αντίσταση του ηλεκτρολύτη. Καθώς αυτή μειώνεται περισσότερο ρεύμα ρέει από την κατασκευή μέσω του ηλεκτρολύτη με αποτέλεσμα αυτή να διαβρώνεται 50

57 γρήγορα. Η ειδική αντίσταση του θαλασσινού νερού, ρ (ohm-cm), είναι μια συνάρτηση της αλατότητας και της θερμοκρασίας του. Στην ανοικτή θάλασσα η αλατότητα δεν παρουσιάζει μεγάλες διακυμάνσεις και έτσι ο κύριος παράγοντας είναι η θερμοκρασία, ενώ αντίθετα σε παραθαλάσσιες περιοχές, ιδιαίτερα σε εξόδους ποταμών και σε κλειστούς κόλπους, η αλατότητα διαφέρει σημαντικά Η ειδική αντίσταση για διάφορες πυκνότητες θαλασσινού νερού (αλατότητα) σε διαφορετικές θερμοκρασίες παρουσιάζεται στην Εικόνα 3.4. Η ειδική αντίσταση έχει ιδιαίτερη σημασία στο σχεδιασμό των συστημάτων γαλβανικών ανόδων, καθώς η χρήση ανεπαρκών στοιχείων της ειδικής αντίστασης μπορεί να έχει σημαντική επίδραση κατά τον υπολογισμό της αντίστασης των ανόδων και του ρεύματος εξόδου. Η επίδραση είναι λιγότερο κρίσιμη για ανόδους εξωτερικού ρεύματος. Εικόνα 3.4 Ειδική αντίσταση νερού σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας και της αλατότητας [6] Παρακάτω παρουσιάζονται κάποιες ενδεικτικές τιμές: Για υφάλμυρο νερό, η ειδική αντίσταση μπορεί να κυμαίνεται αρκετά (0,20 Ω m έως 10 Ω m) ανάλογα με την περιεκτικότητα σε αλάτι. Δεδομένου, λοιπόν, ότι υπάρχει μεγάλη απόκλιση σε αυτές τις τιμές είναι προφανές ότι οι πραγματικές τιμές θα πρέπει πάντα να μετριούνται στη αρχή του σχεδιασμού. - κρύο θαλασσινό νερό: 0,30 Ω m έως 0,35 Ω m - ζεστό θαλασσινό νερό 0,15 Ω m έως 0,25 Ω m - εύκρατο υφάλμυρο νερό 1,00 Ω m έως 5,00 Ω m - φρέσκο νερό ποταμού 3,00 Ω m έως 30,00 Ω m 51

58 Πυκνότητα ρεύματος. Η πυκνότητα ρεύματος αναφέρεται στο ρεύμα καθοδικής προστασίας ανά μονάδα επιφάνειας (Α/m 2 ). Για την επίτευξη των κριτηρίων προστασίας που περιγράφονται στην παράγραφο 2.7.1, είναι απαραίτητο να επιλέξουμε την κατάλληλη πυκνότητα ρεύματος ανάλογα με τις συνθήκες περιβάλλοντος και λειτουργίας. Η επιλογή της πυκνότητας ρεύματος μπορεί να βασίζεται είτε από προηγούμενη εμπειρία σε πλοία που λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο ή από ειδικές μετρήσεις. Η πυκνότητα ρεύματος για γυμνό χάλυβα ή άλλα γυμνά μέταλλα ποικίλλει ανάλογα με παραμέτρους όπως το υλικό, το δυναμικό, την κατάσταση της επιφάνειας, την περιεκτικότητα σε διαλυμένο οξυγόνο στο θαλασσινό νερό, τη θερμοκρασία. Το σύστημα καθοδικής προστασίας γενικά συνδυάζεται με κατάλληλες επικαλύψεις. Η επικάλυψη μειώνει την πυκνότητα ρεύματος και βελτιώνει την κατανομή του ρευματος επί της επιφανείας. Η μείωση της πυκνότητας ρεύματος από γυμνό χάλυβα σε επικαλυμμένο μπορεί να είναι σε μια αναλογία 100 προς 1 ή ακόμη περισσότερο. Όμως, καθώς η επικάλυψη επιδεινώνεται με το χρόνο η πυκνότητα ρεύματος του επικαλυμμένου χάλυβα θα αυξάνεται. Ένας τρόπος για να περιγράψουμε αυτήν την αύξηση στην πυκνότητα καθοδικού ρεύματος είναι ο συντελεστής κατανομής, f c. Όταν f c = 0, η επικάλυψη είναι 100% ηλεκτρικά μονωτική, μειώνοντας έτσι την πυκνότητα καθοδικού ρεύματος στο μηδέν, ενώ f c = 1 σημαίνει ότι η επικάλυψη δεν την μειώνει καθόλου. Ένας αρχικός συντελεστής κατανομής που σχετίζεται κυρίως με μηχανικές βλάβες που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της κατασκευής του πλοίου θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψην. Στη συνέχεια θα πρέπει να επιλέγεται ένας ρυθμός επιδείνωσης της επικάλυψης (δηλαδή αύξηση του συντελεστή κατανομής με το χρόνο) έτσι ώστε να λαμβάνεται υπόψη η γήρανση της επικάλυψης και οι μηχανικές βλάβες που γίνονται σε αυτή κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού του συστήματος καθοδικής προστασίας του πλοίου ή μιας περιόδου που αντιστοιχεί το διάστημα δεξαμενισμού. Οι τιμές εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την κατασκευή και τις συνθήκες λειτουργίας. Κάποιες οδηγίες για τις τιμές των συντελεστών κατανομής των συμβατικών συστημάτων επικάλυψης είναι οι εξής: Αρχικός συντελεστής κατανομής: 1 2 % Ενδεικτικοί ρυθμοί ετήσιας επιδείνωσης: - 3% ετησίως για χαμηλής αντοχής επικάλυψη (πρότυπο EN ISO ) - 1,5% ετησίως για μεσαίας αντοχής επικάλυψη (πρότυπο EN ISO ) - 0,5% ετησίως για υψηλής αντοχής επικάλυψη (πρότυπο EN ISO ) Για πλοία υψηλής ταχύτητας (ταχύτητα άνω των 25 κόμβων) και πλοία σε σκληρές συνθήκες λειτουργίας ή λειτουργία σε συνθήκες πάγου ο ρυθμός ετήσιας επιδείνωσης μπορεί να είναι μεγαλύτερος. 52

59 Η πυκνότητα ρεύματος που απαιτειται για την προστασία του επικαλυμμένου χάλυβα είναι: J c = J b f c όπου J c είναι η πυκνότητα ρεύματος για επικαλυμμένο χάλυβα σε Α/m 2 J b είναι η πυκνότητα ρεύματος για γυμνό χάλυβα σε Α/m 2 Τυπικές τιμές από πυκνότητες ρεύματος που χρησιμοποιούνται για γυμνό και επικαλυμμένο χάλυβα παρατίθενται στον Πίνακα 3-2. Πίνακας 3-2 Τυπικές τιμές πυκνότητας ρεύματος για καθοδική προστασία χάλυβα [6] Κατάσταση Πυκνότητα ρεύματος (ma/m 2 ) Ακίνητο Πλήρως επικαλυμμένο 1 έως 2 Μερικώς επικαλυμμένο 2 έως 20 Μη επικαλυμμένο 20 έως 30 Χαμηλή ταχύτητα (v 1 m/s) Πλήρως επικαλυμμένο 2 έως 5 Μερικώς επικαλυμμένο 5 έως 20 Μη επικαλυμμένο 50 έως 150 Μέτρια ταχύτητα (1 < v < 3 m/s) Πλήρως επικαλυμμένο 5 έως 7 Μερικώς επικαλυμμένο 10 έως 30 Μη επικαλυμμένο 150 έως 300 Υψηλή ταχύτητα (v 3 m/s) Μερικώς ή μη επικαλυμμένο 250 έως 1000 Ένα σύστημα καθοδικής προστασίας εξωτερικού ρεύματος θα πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να είναι σε θέση να παρέχει τουλάχιστον 25% περισσότερη από την υπολογισθείσα μέσιστη πυκνότητα ρεύματος, για να αντισταθμίσει τη λιγότερο αποδοτική διανομή του ηλεκτρικού ρεύματος (λόγω του μικρότερου αριθμού ανόδων) Υπολογισμός ρεύματος προστασίας [11] Για να υπολογίσουμε το ρεύμα καθοδικής προστασίας, θα πρέπει να γνωρίζουμε την επιφάνεια που πρόκειται να προστατευθεί. Για τη βρεχόμενη επιφάνεια του κύτους του πλοίου χρησιμοποιείται ο προσεγγιστικός τύπος: S = (1.8 LBP D) + (LBP BC B) Όπου: S LBP D BC = επιφάνεια (Surface) = μήκος μεταξύ καθέτων (Length Βetween Perpendiculars) = βύθισμα (Draft) = συντελεστής κύτους (Block Coefficient) 53

60 Β = πλάτος εξάλων (Breadth) Τυπικοί συντελεστές κύτους για διάφορα πλοία δίνονται στον Πίνακα 3-3. Πίνακας 3-3 Τυπικοί συντελεστές κύτους Τύπος πλοίου Συντελεστής κύτους Επιβατηγά πλοία 0,6 Φορτηγά πλοία 0,75 Μηχανότρατες 0,55 Σκάφη αναψυχής 0,4 0,5 Τάνκερ 0,8 0,9 Ρυμουλκά 0,6 Βυθοκόροι 0,8 Πολεμικά πλοία 0,55 Επομένως, το απαιτούμενο ρεύμα, Ι c (Α), για να παράσχει επαρκή πόλωση και να διατηρήσει την καθοδική προστασία σε μία επιφάνεια, Α c (m 2 ), κατά τη διάρκεια της σχεδιασμένης ζωής είναι: I c = A c J b f c όπου J b η πυκνότητα ρεύματος και f c ο συντελεστής κατανομής της επικάλυψης Συστήματα γαλβανικών ανόδων Στόχος ενός συστήματος γαλβανικών ανόδων είναι η παροχή αρκετού ρεύματος για να προστατεύσει τα τμήματα του πλοίου που έχουν επιλεγεί και η διανομή αυτού του ρεύματος, έτσι ώστε τα κριτήρια προστασίας που περιγράφονται στο να πληρούνται. Οι γαλβανικές άνοδοι για χρήση σε κύτη των πλοίων κατασκευάζονται συνήθως από ψευδάργυρο ή κράματα αλουμινίου. Κάθε άνοδος έχει συγκεκριμένες διαστάσεις και βάρος. Για την τελική επιλογή των ανόδων θα πρέπει να εξεταστούν τα δεδομένα από εμπορικά διαθέσιμες ανόδους ώστε να επιλεγούν οι άνοδοι που ικανοποιούν τις απαιτήσεις των υπολογισμών και είναι πιο οικονομικές. Εικόνα 3.5 Τυπική εγκατάσταση γαλβανικών ανόδων στην πρύμνη ενός πλοίου 54

61 Στις Εικόνες 3.6 και 3.7 παρουσιάζονται κάποια τυπικά μεγέθη ανόδων ψευδαργύρου και αλουμινίου για εφαρμογή σε κύτη πλοίων από την εταιρεία Cathodic Protection Technology PTE LTD (CP TECH). Εικόνα 3.6 Άνοδοι ψευδαργύρου με συγκόλληση [18] Εικόνα 3.7 Βιδωτές άνοδοι αλουμινίου [18] Ρεύμα εξόδου ανόδου [6] Το ρεύμα εξόδου μιας γαλβανικής ανόδου προσδιορίζεται από το νόμο του Ohm: όπου, ΔV είναι η διαφορά του δυναμικού μεταξύ του δυναμικού προστασίας του χάλυβα (-0,80 V έναντι του Ag/AgCl) και του δυναμικού της εκάστοτε ανόδου στο θαλασσινό νερό (συνήθως -1,05 V έως -1,10 V για κράματα αλουμινίου και -1,05 V για κράματα ψευδαργύρου έναντι του Ag/AgCl). Επομένως η τάση που χρησιμοποιείται συνήθως μεταξύ μιας ανόδου από ένα τυπικό κράμα αλουμινίου ή κράμα ψευδαργύρου και μιας πολωμένης ή επιστρωμένης δομής στο επίπεδο καθοδικής προστασίας είναι μόνο 0,20 V έως 0,30 V. R a είναι η αντίσταση της ανόδου Υπολογισμός αντίστασης ανόδου [6][13] Η αντίσταση της ανόδου είναι μία συνάρτηση της ειδικής αντίστασης του ηλεκτρολύτη (θαλασσινό νερό) και της γεωμετρίας (μορφή και διαστάσεις) της 55

62 ανόδου. Στον Πίνακα 3-4 παρουσιάζονται οι εξισώσεις για τον υπολογισμό των πιο συνηθισμένων τύπων ανόδων. Πίνακας 3-4 Τύποι υπολογισμού αντίστασης ανόδου [13] Τύπος ανόδου Αντίσταση ανόδου Τυπικό σχήμα ανόδου Λεπτές άνοδοι (1) L 4r Λεπτές άνοδοι (1) L < 4r Μακριά ισεπίπεδη άνοδος L 4x πλάτος L 4x πάχος Μακριά επίπεδη πλάκα L 4x πλάτος L 4x πάχος Κοντή επίπεδη πλάκα, άνοδος τύπου βραχιόλι και άλλα σχήματα Σημείωση: Η εξίσωση (1) ισχύει για ανόδους που βρίσκονται τοποθετημένες σε απόσταση τουλάχιστον 0,30 m από την προστατευόμενη επιφάνεια. Εάν η απόσταση είναι μικρότερη, αλλά όχι πιο μικρή από 0,15 m, τότε η αντίσταση R a θα πρέπει να πολλαπλασιάζεται με έναν συντελεστη διόρθωσης 1,3. Όπου, R a είναι η αντίσταση της ανόδου σε Ω, ρ είναι η ειδική αντίσταση του περιβάλλοντος σε Ωm, L είναι το μήκος της ανόδου σε m, r είναι η ακτίνα της ανόδου (για άλλα σχήματα εκτός από κυλινδρικό, r = C / 2π όπου C είναι η περίμετρος της διατομής) σε m, S είναι ο αριθμητικός μέσος όρος του μήκους, ύψους και πάχους της ανόδου σε m, Α είναι η εκτεθειμένη επιφάνεια ανόδου σε m 2. Οι δύο πρώτοι τύποι συνήθως εφαρμόζονται για αιωρούμενες ανόδους σε πλοία που παραμένουν στάσιμα. Οι επόμενοι δύο για μεγάλες ανόδους, είτε γαλβανικές ή εξωτερικού ρεύματος, στο κύτος του πλοίου. Ιδιαίτερη προσοχή θα πρέπει να δίνεται σε συστοιχίες ανόδων που τοποθετούνται σε μικρές αποστάσεις μεταξύ τους. Οι άνοδοι σε μικρή απόσταση, θα επηρεάζουν το ηλεκτρικό πεδίο γύρω από παρακείμενες ανόδους και θα μειώνουν το ρεύμα εξόδου των ανόδων. Ουσιαστικά η αντίσταση μιας μεμονωμένης ανόδου σε μία συστοιχία ανόδων θα αυξάνεται από την εγγύτητα σε παρακείμενες ανόδους. 56

63 Γιαυτό και άνοδοι τοποθετημένες σε κοντινή απόσταση θα πρέπει να είναι αντικείμενο ειδικής αξιολόγησης. Υπολογισμός αντίστασης ανόδου στο τέλος ζωής της. [6][13] Η αντίσταση της ανόδου θα αυξάνεται με το χρόνο, εάν η κατανάλωσή της οδηγεί σε αλλαγές των διαστάσεών της. Είναι απαραίτητο για το σχεδιασμό να εκτιμήσουμε το ρεύμα εξόδου της ανόδου κατά το τέλος της ζωής της. α) Υπολογισμός του βάρους στο τέλος της ζωής: Για όλα τα σχήματα ανόδου: όπου, W final είναι η τελική (ή στο τέλος ζωής) τιμή της καθαρής μάζας ενός κράματος ανόδου (χωρίς το πυρήνα χάλυβα) σε kg W initial είναι η αρχική τιμή u είναι ο συντελεστής αξιοποίησης της ανόδου, που καθορίζεται από τη ποσότητα του υλικού ανόδου που καταναλώνεται όταν το εναπομείναν υλικό ανόδου δεν μπορεί να παρέχει το απαιτούμενο ρεύμα. Όταν μια άνοδος καταναλώνεται σύμφωνα με τον συντελεστή αξιοποίησής της, η ικανότητα πολώσεως γίνεται απρόβλεπτη λόγω απώλειας στήριξης του υλικού ανόδου, ή ταχείας αύξησης της αντίστασής της. Ο συντελεστής αξιοποίησης της ανόδου εξαρτάται από τις διαστάσεις της και τη θέση του πυρήνα χάλυβα μέσα σε αυτή. Τυπικές τιμές συντελεστών αξιοποίησης ανόδων παρουσιάζονται στον Πίνακα 3-5. Πίνακας 3-5 Συντελεστές αξιοποίησης ανόδων [13] Τύπος ανόδου Λεπτές άνοδοι L 4r Λεπτές άνοδοι L < 4r Μακριά ισεπίπεδη άνοδος L 4x πλάτος, 4x πάχος Μακριά επίπεδη πλάκα L 4x πλάτος, 4x πάχος Κοντή επίπεδη πλάκα, άνοδος τύπου βραχιόλι και άλλα σχήματα Συντελεστής αξιοποίησης β) Υπολογισμός των διαστάσεων στο τέλος της ζωής: 1) Για λεπτές ανόδους 57

64 Όπου, L final είναι η τελική τιμή του μήκους ενός κράματος ανόδου σε m L initial είναι η αρχική τιμή H μειωμένη άνοδος, μαζί με τον πυρήνα χάλυβα, θεωρείται τότε ότι είναι ένας κύλινδρος με μήκος L final και διατομή ίση με Όπου, Χ final είναι η τελική τιμή της διατομής της ανόδου (συμπεριλαμβανομένου του πυρήνα χάλυβα) σε m 2 X core είναι η διατομή του πυρήνα σε m 2 d anode είναι η ειδική βαρύτητα του κράματος ανόδου σε kg/m 3 r final είναι η τελική ακτίνα της ανόδου σε m Η τελική αντίσταση της ανόδου στη συνέχεια προσδιορίζεται σύμφωνα με τους αντίστοιχους τύπους αντίστασης του Πίνακα 3-3 χρησιμοποιώντας τις τιμές L final και r final, ανάλογα με τη περίπτωση. 2) Για μακριές ισεπίπεδες ανόδους και επίπεδες πλάκες Ότι ισχύει για τις λεπτές ανόδους, αλλά υποθέτοντας ότι η τελική μορφή είναι ένας ημικύλινδρος, θα έχουμε 3) Για κοντή επίπεδη πλάκα και άνοδο τύπου βραχιόλι Υποθέτουμε ότι η αντίσταση δεν αλλάζει από την αρχική τιμή Διάρκεια ζωής ανόδου [6] Η διάρκεια ζωής της ανόδου (T anode ) μπορεί να προσδιοριστεί από τον ακόλουθο τύπο: 58

65 Όπου, T anode είναι η αποτελεσματική διάρκεια ζωής της ανόδου σε χρόνια W anode είναι η καθαρή μάζα του κράματος ανόδου (χωρίς τον πυρήνα χάλυβα) σε kg u είναι ο συντελεστής αξιοποίσης της ανόδου E είναι ο ρυθμός κατανάλωσης της ανόδου σε kg/ay είναι ο μέσος όρος ρεύματος εξόδου της ανόδου κατά τη διάρκεια ζωής σε A I s Συνολικό καθαρό βάρος ανόδων [6] Το ελάχιστο συνολικό καθαρό βάρος του υλικού της ανόδου που απαιτείται για να διατηρήσει την καθοδική προστασία καθόλη τη διάρκεια ζωής ενός συστήματος μπορεί να προσδιοριστεί από: Όπου, είναι το ελάχιστο συνολικό καθαρό βάρος του υλικού ανόδου που απαιτείται σε kg είναι το συνολικό ρεύμα που απαιτείται για καθοδική προστασία σε Α είναι η διάρκεια ζωής (περίοδος μεταξύ δεξαμενισμού) για το σύστημα ανόδου σε χρόνια u είναι ο συντελεστής αξιοποίησης της ανόδου Q είναι η πρακτική ηλεκτροχημική απόδοση του υλικού ανόδου σε Ah/kg 8760 είναι ο αριθμός των ωρών για ένα χρόνο W total I mean T design Αριθμός και κατανομή ανόδων [5][6][12] Ο αριθμός των ανόδων που απαιτείται για πλήρη καθοδική προστασία βάσει του ρεύματος εξόδου υπολογίζεται από το πηλίκο του συνολικού ρεύματος (3.1.4) προς το ρεύμα εξόδου κάθε ανόδου ( ). Ενώ συμφωνα με το βάρος υπολογίζεται από το πηλίκο του συνολικού καθαρού βάρους των ανόδων ( ) προς το βάρος κάθε ανόδου. Ο συνολικός αριθμός των ανόδων που απαιτείται θα πρέπει να πληροί και τις δύο αυτές προυποθέσεις. 59

66 Εικόνα 3.8 Θυσιαζόμενες άνοδοι για χρήση σε κύτος πλοίου Οι άνοδοι πρέπει να είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες στις υποβρύχιες επιφάνειες του κύτους για να εξασφαλιστεί οτι η επιφάνεια του χάλυβα θα πολωθεί εντός των συνιστώμενων ορίων και για να επιτευχθεί καλή κατανομή ρεύματος. Η πιο αποτελεσματική προστασία επιτυγχάνεται σύμφωνα με τα ακόλουθα: περίπου το 25% του συνολικού βάρους των ανόδων θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν για να προστατεύσουν την περιοχή της πρύμνης και του πηδαλίου, εξαιτίας του αυξημένου ρεύματος που απαιτείται. Οι υπόλοιπες άνοδοι πρέπει να διανέμονται στην πλώρη και στο κεντρικό τμήμα του κύτους, κατά προτίμηση κατά μήκος κατάλληλων γραμμών ροής, προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι οπισθέλκουσες.. Κατά μήκος του κεντρικού τμήματος του κύτους οι άνοδοι τοποθετούνται στο ύψος του παρατροπιδίου, εάν υπάρχει, και συχνά στο ίδιο το παρατροπίδιο εναλλάξ στις άνω και κάτω πλευρές του. Εικόνα 3.9 Γαλβανικές άνοδοι στο παρατροπίδιο πλοίου Η απόσταση των ανόδων στην καρίνα στη μέση του πλοίου, δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 6 έως 8 m για να διασφαλιστεί η επικάλυψη των προστατευομένων ζωνών. Σε νερό με υψηλές πυκνότητες ρεύματος προστασίας (π.χ., τροπικές ζώνες) και με χαμηλή ειδική αντίσταση (π.χ., Βαλτική) η απόσταση πρέπει να είναι μικρότερη, περίπου 5 m. Μπορεί να μειωθεί ακόμη περισσότερο για τα πλοία 60

67 που υπόκεινται σε υψηλές μηχανικές βλάβες, π.χ., σε πλοία που βρίσκονται στους πάγους της Αρκτικής. Ένα τυπικό σύστημα προστασίας φαίνεται στην Εικόνα Εικόνα 3.10 Τυπικό σύστημα καθοδικής προστασίας κύτους πλοίου με γαλβανικές ανόδους [5] Οι άνοδοι στην περιοχή της πλώρης πρέπει να εγκατασταθoύν λοξά λόγω της ροής του νερού. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δωθεί έτσι ώστε να μην συνδέονται σε περιοχές όπου μπορεί να προκληθεί μηχανική βλάβη από την αλυσίδα της άγκυρας. Στην πρύμνη οι άνοδοι πρέπει να τοποθετούνται κατά κύριο λόγο κοντά στην περιοχή του άξονα της έλικας. Κατά την κατανομή των ανόδων, πρέπει να ληφθεί μέριμνα ώστε οι δίνες που προκαλούνται από τις ανόδους να μην επηρεάζουν την προπέλα. Για το λόγο αυτό οι άνοδοι στην πρύμνη δεν θα πρέπει να εγκαθίστανται στην περιοχή που απεικονίζεται στην Εικόνα 3.11 και η οποία εξαρτάται από την διάμετρο της προπέλας. Το πηδάλιο είναι εφοδιασμένο με ανόδους και στις δύο πλευρές, οι οποίες θα πρέπει να τοποθετούνται είτε στο επίπεδο του άξονα της έλικας ή όσο το δυνατόν πάνω και κάτω από το πτερύγιο του πηδαλίου. Εικόνα 3.11 α) Τυπική διάταξη γαλβανικών ανόδων στην περιοχή της έλικας. β) Διαστάσεις της γκρίζας ζώνης (1) όπου δεν συνίσταται για τοποθέτηση ανόδων. [6] Προστασία των ανόδων κατά τη διάρκεια της βαφής [5] Η επιφάνεια των ανόδων δεν θα πρέπει να βάφεται σε καμία περίπτωση. Η βαφή περιορίζει τη δράση των ανόδων αλουμινίου ή ψευδαργύρου σημαντικά και, εάν καλυφθεί μια αξιόλογη περιοχή τους, μπορεί να καταστήσει τις ανόδους αναποτελεσματικές. Για να αποφευχθεί αυτό, συνίσταται κατά τη διάρκεια της βαφής 61

68 του κύτους ενός πλοίου οι άνοδοι να είναι κατάλληλα καλυμμένες. Εάν κολλήσει χρώμα πάνω στην επιφάνεια των ανόδων, θα πρέπει να αφαιρεθεί με τη βοήθεια κατάλληλου διαλύτη πριν στεγνώσει Συστήματα εξωτερικού ρεύματος [5][6][12] Σε ένα σύστημα εξωτερικού ρεύματος, συνεχές ρεύμα τροφοδοτείται από κατάλληλες ανόδους τοποθετημένες στο υποβρύχιο κύτος του πλοίου. Το δυναμικό του κύτους μετριέται σε σχέση με ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς, μόνιμα τοποθετημένο στο κύτος. Το ηλεκτρικό ρεύμα εξόδου που παρεχεται από την πηγή συνεχούς ρεύματος (συνήθως μετασχηματιστής-ανορθωτής) ελέγχεται κατά τη διάρκεια ζωής του συστήματος καθοδικής προστασίας, προκειμένου το κύτος ολόκληρου του πλοίου να αποκτήσει και να διατηρήσει ένα επαρκές δυναμικο προστασίας. Σε σύγκριση με τη γαλβανική προστασία, η προστασία μέσω εξωτερικού ρεύματος συνεπάγεται υψηλότερες τάσεις και λιγότερες ανόδους μακράς διάρκειας. Το συνολικό ρεύμα καθοδικής προστασίας υπολογίζεται όπως και στα συστήματα γαλβανικών ανόδων. Ωστόσο, για να αντισταθμιστεί η λιγότερο αποδοτική διανομή ηλεκτρικού ρεύματος (λόγω του μικρότερου αριθμού ανόδων), το σύστημα καθοδικής προστασίας θα πρέπει να σχεδιαστεί ώστε να είναι σε θέση να παρέχει ένα ρεύμα I t κατ ελάχιστο 25% περισσότερο από το υπολογισθέν συνολικό ρεύμα προστασίας. I t 1,25 I c Ένα σύστημα εξωτερικού ρεύματος θα πρέπει να περιλαμβάνει: - πηγή ενέργειας - συστήματα παρακολούθησης και ελέγχου - ανόδους - διηλεκτρικές ασπίδες - ηλεκτρόδια αναφοράς - καλώδια σύνδεσης Εικόνα 3.12 Καθοδική προστασία κύτους με εξωτερικό ρεύμα 62

69 Πηγή ενέργειας και έλεγχος [5][12][17] Τα συστήματα καθοδικής προστασίας εξωτερικού ρεύματος σε πλοία συνήθως περιλαμβάνουν έναν ή και περισσότερους μετασχηματιστές-ανορθωτές μαζί με αδρανείς ανόδους και ηλεκτρόδια αναφοράς. Το ρεύμα λαμβάνεται από τον αρνητικό πόλο της πηγής ενέργειας σε οποιαδήποτε κατάλληλη θέση γείωσης στο κύτος, και από το θετικό πόλο με μονωμένο καλώδιο σε κάθε άνοδο. Γενικά χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές-ανορθωτές με αυτόματο έλεγχο του δυναμικού επειδή το ρεύμα που απαιτείται για καθοδική προστασία δεν είναι σταθερό και πρέπει να ρυθμίζεται. Υπάρχουν διάφοροι τύποι μετασχηματιστή-ανορθωτή για αυτόματο έλεγχο διαθέσιμοι με βάση κορεσμένο αντιδραστήρα, θυρίστορ ή τρανζίστορ. Συνήθως η ρύθμιση γίνεται ελέγχοντας την αλλαγή της φάσης χρησιμοποιώντας θυρίστορ. Οι λόγοι που προκαλούν μεγάλες και συχνές διακυμάνσεις της ζήτησης ρεύματος, εκτός από την επιδείνωση της βαφής του κύτους, είναι οι συνθήκες περιβάλλοντος, η διάταξη της δομής και οι συνθήκες λειτουργίας. Πιο αναλυτικά: α) Μεταβολή στην υποβρύχια περιοχή του κύτους ενός πλοίου. Στην περίπτωση των πετρελαιοφόρων και των φορτηγών πλοίων, για παράδειγμα, υπάρχει συνήθως μια σημαντική διαφορά μεταξύ της βρεγμένης περιοχής του πλοίου όταν είναι μερικώς φορτωμένο και όταν το ίδιο πλοίο είναι πλήρως φορτωμένο. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μια αύξηση του ρεύματος που απαιτείται έως και 50%. β) Μεταβολή στην ταχύτητα του πλοίου. Η αύξηση του ρεύματος που απαιτείται για ένα πλοίο σε υπηρεσιακή ταχύτητα σε σχέση με το ρεύμα που απαιτείται για το ίδιο πλοίο όταν είναι στάσιμο, θα εξαρτηθεί σε μεγάλο βαθμό από την κατάσταση της βαφής. Εάν η βαφή είναι σε άριστη κατάσταση η αύξηση μπορεί να είναι μόνο ένα μικρό ποσοστό, ενώ σε αντίθετη περίπτωση μπορεί να αυξηθεί δύο ή τρεις φορές. γ) Μεταβολή στις συνθήκες του νερού. Αύξηση της θερμοκρασίας θα οδηγήσει σε μεγαλύτερη απαίτηση ρεύματος, για παράδειγμα η ζήτηση στα τροπικά νερά μπορεί να υπερβαίνει εκείνη σε εύκρατα νερά κατά 20% έως 25%. Εάν η αλατότητα μειώνεται, θα απαιτείται αυξημένη τάση για να διατηρηθεί η προστασία σε θέσεις απομακρυσμένες από ανόδους. δ) Μια διαταραχή στο εξωτερικό κέλυφος του κύτους. Ένα παράδειγμα είναι το υποβρύχιο "τρίψιμο" που ασκείται μερικές φορές για τους σκοπούς της απορύπανσης. Αυτό μπορεί να διπλασιάσει τη ζήτηση ρεύματος για λίγες ημέρες μέχρι να αποκατασταθεί η πόλωση. Επειδή τα συστήματα εξωτερικού ρεύματος πρέπει να λειτουργούν συνεχώς σε όλη την ενεργό περίοδο των πλοίων ο εξοπλισμός παροχής του ρεύματος προστασίας πρέπει να είναι στιβαρής κατασκευής και ανθεκτικός στους κραδασμούς. Γιαυτό όλα τα συστήματα πηγής ενέργειας, παρακολούθησης και ελέγχου πρέπει να στεγάζονται μέσα σε θαλάμους. Ο μετασχηματιστής-ανορθωτής παρεχει το προστατευτικό ρεύμα στις ανόδους και πρέπει να είναι εφοδιασμένος με τον ακόλουθο εξοπλισμο παρακολούθησης και ελέγχου: 63

70 - ένα βολτόμετρο για τη μέτρηση της συνεχούς τάσης εξόδου - ένα αμπερόμετρο για τη μέτρηση του συνεχούς ρεύματος εξόδου, πιθανώς συνδεδεμένο με ένα διακόπτη, ο οποίος να επιτρέπει τη μέτρηση του ηλεκτρικού ρεύματος εξόδου σε κάθε άνοδο - ενα πανελ παρακολούθησης που να επιτρέπει τη μέτρηση των δυναμικών με κάθε ένα από τα ηλεκτρόδια αναφοράς - διατάξεις προστασίας έναντι υπερτάσεων και βραχυκυκλωμάτων Κατάλληλα κυκλώματα ελέγχου θα πρέπει να περιλαμβάνονται για το εντοπισμό και τον έλεγχο παραμέτρων, όπως υπερβολική ή μειωμένη πόλωση του κύτους και υπερβολικό ρεύμα στις ανόδους. Εάν μια από αυτές τις παραμέτρους είναι εκτός ορίων πρέπει πρέπει να υποδεικνύεται από ένα οπτικό ή ηχητικό προειδοποιητικό σήμα για δυσλειτουργία του συστήματος. Πρέπει να παρέχονται διατάξεις για την αυτόματη ή χειροκίνητη καταγραφή των πιο σημαντικών στοιχείων του συστήματος, που περιλαμβάνουν τάση εξόδου, συνολικό ρεύμα εξόδου, ατομικό ρεύμα ανόδου, και το δυναμικο κύτους / ηλεκτροδίου αναφοράς. Ο μετασχηματιστήςανορθωτής πρέπει να είναι σε θέση να παρεχει ρεύμα I t στη καθοδικη ζώνη προστασίας που προορίζεται να προστατεύει. Η τάση εξόδου του πρέπει να λαμβάνει υπόψη την συνολική αντίσταση του ηλεκτρικού κυκλώματος (καλώδια, ανόδους) καθώς και τη συνιστώμενη τάση λειτουργίας των ανόδων. Σε περίπτωση βλάβης του ηλεκτροδίου αναφοράς, το σύστημα πρέπει να σχεδιαστεί για να αγνοήσει αυτόματα το ελαττωματικό σήμα του ηλεκτροδίου αναφοράς ή να επανέλθει σε μια προκαθορισμένη τιμή ρεύματος. Η Εικόνα 3.13 δείχνει το διάγραμμα του κυκλώματος και τα συστατικά μιας εγκατάστασης προστασίας για τα πλοία. Εικόνα 3.13 Διάγραμμα κυκλώματος για εγκατάσταση εξωτερικού ρεύματος [12] 64

71 Για την επιλογή του ανορθωτή θα πρέπει να υπολογιστεί η συνολική αντίσταση (R T ) του συστήματος. Το κύκλωμα ενός συστήματος εξωτερικού ρεύματος μπορεί να αναπαρασταθεί από το ακόλουθο ισοδύναμο κύκλωμα: Εικόνα 3.14 Ισοδύναμο κύκλωμα συστήματος εξωτερικού ρεύματος [17] Για να βρούμε τη συνολική αντίσταση του κυκλώματος, πρέπει να υπολογίσουμε 5 επιμέρους αντιστάσεις: R c+ + R c- : Οι αντιστάσεις των καλωδίων ανόδου και καθόδου εξαρτώνται από το μήκος (l) και τη διατομή (A) του αγωγού ως εξής Όπου ρ η ειδική αντίσταση του αγωγού (ο τύπος του αγωγού που χρησιμοποιείται συνήθως είναι χαλκός με ρ = Ωm) R E : Η αντίσταση της καθόδου ως προς τον υλεκτρολύτη μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το νόμο του Ohm: Όπου Ε η αλλαγή στο δυναμικό της δομής για να επιτευχθεί καθοδική προστασία (συνήθως 1/3 με 1 Volt) και Ι είναι το συνολικό ρεύμα που απαιτείται. R A : Η αντίσταση της ανόδου υπολόγιζεται όπως και στις γαλβανικές ανόδους. R S : Η αντίσταση της δομής μπορεί να παραληφθεί. H τάση εξόδου του ανορθωτή θα είναι: V rec = R T I t 65

72 και η ισχύς εξόδου: P = V rec I t Στο εμπόριο υπάρχει μεγάλη ποικιλία ανορθωτών και θα πρέπει να επιλεγούν αυτοί που ικανοποιούν τις ελάχιστες απαιτήσεις ρεύματος (I t ) και τάσης (V rec ) Άνοδοι [5][12] Συνήθως χρησιμοποιούνται αδρανείς άνοδοι, οι οποίες μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος και έχουν μικρό ρυθμό κατανάλωσης (Πίνακας 2-5). Οι πιο συνηθισμένοι άνοδοι είναι από κράματα μολύβδου, επιλευκοχρυσομένο τιτάνιο και ανάμεικτα οξείδια μετάλλων. Οι άνοδοι μπορεί να είναι υπό μορφή μακριών λωρίδων ή δίσκων που τοποθετούνται στο κύτος, αλλά μονώνονται από αυτό (Εικόνα 3.15). Γενικά σε συστήματα εξωτερικού ρεύματος χρησιμοποιείται μικρός αριθμός ανόδων και η απώλεια μιας ανόδου μπορεί να μειώσει σημαντικά την απόδοση του συστήματος. Γιαυτό η στερέωση τους πάνω στο πλοίο πρέπει να είναι σχεδιασμένη ώστε να έχει υψηλή αντοχή στις μηχανικές βλάβες. Εικόν 3.15 Άνοδοι εξωτερικού ρεύματος για χρήση σε κύτος πλοίου Οι άνοδοι εξωτερικού ρεύματος τοποθετούνται στα πλοία με δύο τρόπους: είτε στερεώνονται εξωτερικά και είτε μέσα σε εσοχές στο ίδιο επίπεδο με την επιφάνεια του πλοίου. Σε εξωτερικά στερεωμένες ανόδους όπως στην Εικόνα. 3.16, η βάση αποτελείται από ένα μεγάλο πλαστικό σώμα ανόδου (συνήθως πολυεστέρα ενισχυμένο με υλονήματα) στις πλευρές του οποίου έχουν τοποθετηθεί οι ενεργές επιφάνειες της ανόδου. Το πλαστικό σώμα είναι εφοδιασμένο με μία προστατευτική ασπίδα ως υποστήριγμα, η οποία προστατεύει την πλευρά του πλοίου στην άμεση γειτονία των επιφανειών ανόδου και προστατεύει την επικάλυψη από τα πολύ αρνητικά δυναμικά. Αυτή η ασπίδα σταθεροποιείται στο κύτος του πλοίου με συγκολλημένα στηρίγματα. 66

73 Εικόνα 3.16 Εξωτερικά στερεωμένες άνοδοι [12] Αυτές οι άνοδοι προσφέρουν το πλεονέκτημα χαμηλής αντίστασης γείωσης για το προστατευτικό ρεύμα, διότι το πραγματικό σώμα ανόδου ορίζεται στις δύο πλευρές του πλαστικού σώματος σαν στενές μακριές λωρίδες. Το μειονέκτημα είναι ότι το σώμα εκτίθεται στην επιφάνεια του πλοίου και μπορεί εύκολα να καταστραφεί μηχανικά. Γιαυτό το λόγο έχουν αναπτυχθεί άνοδοι οι οποίες είναι πιο συμπαγείς και έχουν μια σχεδόν ορθογώνια ή στρογγυλή ενεργή επιφάνεια, αλλά έχουν λιγότερο ευνοϊκή αντίσταση γείωσης. Τοποθετούνται στο ίδιο επίπεδο με την επιφάνεια του πλοίου μέσα σε εσοχές (Εικόνα 3.17). Το πραγματικό σώμα ανόδου είναι μια επίπεδη πλάκα ενσωματωμένη στο πλαστικό σώμα στήριξης. Τέτοιες άνοδοι χρησιμοποιούνται κυρίως για πλοία σε δύσκολες συνθήκες όπως παγοθραυστικά και εγκαθίστανται στην περιοχή της πλώρης. Εικόνα 3.17 Άνοδος μέσα σε εσοχή [6] Σε μικρά σκάφη, όλες οι άνοδοι συχνά τοποθετούνται κοντά στην πρύμνη, έτσι ώστε να παρέχουν μία υψηλότερη πυκνότητα ρεύματος στην περιοχή αυτή. Σε μεγάλα πλοία, ένας μεγαλύτερος αριθμός ανόδων μπορεί να τοποθετείται γύρω από το κύτος. Για λόγους ασφαλείας σε δεξαμενόπλοια, δεν είναι επιτρεπτό τα καλώδια των ανόδων να οδηγούνται μέσα από τις δεξαμενές φορτίου, αν και μπορούν να οδηγούνται μέσω φρεατίων και δεξαμενών έρματος εφόσον είναι εγκατεστημένα μέσα σε αγωγούς βαρύ χάλυβα. Επειδή λοιπόν είναι δύσκολο να συνδεθούν τα καλώδια στο εξωτερικό μέρος του πλοίου, προκειμένου να τοποθετηθούν οι άνοδοι δίπλα στις δεξαμενές φορτίου, σημερινή πρακτική είναι να τοποθετούμε τις ανόδους εμπρός και πίσω από το χώρο των δεξαμενών φορτίου (Εικόνα 3.18) ή, σε ορισμένες περιπτώσεις, μόνο πίσω από 67

74 τον χώρο των δεξαμενών φορτίου. Αν άνοδοι περιορίζονται στις πίσω θέσεις, επαρκή προστασία των μπροστινών τμημάτων του κύτους μπορεί να επιτευχθεί υπό την προϋπόθεση ότι το χρώμα του κύτους δεν θα υφίσταται μεγάλη ζημιά ή φθορά κατά τη λειτουργία του πλοίου. Όσο μεγαλύτερη είναι η ζημιά στο χρώμα, τόσο λιγότερο αποτελεσματική θα είναι αυτή η διάταξη των ανόδων στην προστασία των μπροστινών τμημάτων. Η κατεύθυνση της κίνησης του πλοίου δεν επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο διανέμεται το ρεύμα. Κατάλληλες προφυλάξεις πρεπει να λαμβάνονται ώστε να αποφεύγεται η άμεση ηλεκτρική επαφή (βραχυκύκλωμα του κυκλώματος καθοδικής προστασίας) μεταξύ των ανόδων και της δομής. Ο αριθμός, οι διαστάσεις και η θέση των ανόδων πρέπει να καθορίζεται έτσι ώστε να είναι σε θέση να παρεχουν το κατάλληλο ρεύμα I t, που διανέμεται από τον μετασχηματιστή-ανορθωτή με τον οποίο οι άνοδοι ειναι συνδεδεμένοι για την επίτευξη των κριτηρίων καθοδικής προστασίας. Εικόνα 3.18 Τυπικό σύστημα εξωτερικού ρεύματος για καθοδική προστασία κύτους ενός [16] πλοίου Διηλεκτρικές ασπίδες [5][8] Στα συστήματα εξωτερικού ρεύματος οι άνοδοι λειτουργούν σε μεγάλες πυκνότητες ρεύματος και δημιουργούν υψηλά αρνητικά δυναμικά γειτονικά προς τις ανόδους. Αυτά τα δυναμικά μπορεί να οδηγήσουν σε καταστροφή των συμβατικών επικαλύψεων και μπορεί να είναι επιζήμια για χάλυβες υψηλής αντοχής. Είναι, επομένως, σημαντικό να παρέχουμε ένα μονωτικό στρώμα επί του κύτους γύρω από μία άνοδο ικανό να αντέχει αυτές τις συνθήκες. Οι περιοχές αυτές ονομάζονται διηλεκτρικές ασπίδες και πρέπει να εκτείνεται από την άνοδο σε μια απόσταση κατά την οποία το δυναμικό δεν θα διαταράξει την κανονική επικάλυψη. Το σχήμα και το μέγεθος μιας διηλεκτρικής ασπίδας καθορίζεται από το σχήμα και το μέγεθος της ανόδου, το μέγιστο ρεύμα εξόδου και την ειδική αντίσταση του νερού. Συνήθως για ανόδους σε σχήμα δίσκου ή οβάλ επιλέγεται κυκλική ασπίδα, ενώ για ορθογώνιους τύπους ανόδων η ασπίδα μπορεί να είνια και αυτή ορθογώνια. 68

75 Η ακτίνα (σε m) μιας ασπίδας για μια άνοδο σχήματος δίσκου δίνεται προσεγγιστικά από τον τύπο: Όπου, Ε ο είναι το δυναμικό του κύτους όταν είναι προστατευμένο (σε V) E είναι το πιο αρνητικό δυναμικό που μπορεί να αντέξει η βαφή του κύτους δίπλα στην ασπίδα (σε V) ρ είναι η ειδική αντίσταση του νερού (σε Ωm) I είναι το ρεύμα (σε Α) Για γραμμική άνοδο το θεωρητικό σχήμα της ασπίδας είναι ελλειπτικό. Κανονικά, όμως, η ασπίδα κατασκευάζεται ως ένα ορθογώνιο. Η ασπίδα επεκτείνεται σε μια απόσταση b γύρων από την άνοδο. Το b υπολογίζεται ως εξής: Όπου, L είναι το μήκος της ανόδου α είναι exp{2πl(e o - E)/ρΙ} Το μοντέλο αυτό είναι απλοποιημένο και πιθανόν να υπάρχουν σφάλματα. Εάν δεν γίνει ειδική μελέτη για τις διαστάσεις της ασπίδας, η ελάχιστη απόσταση μεταξύ του άκρου της ανόδου και της επικάλυψης του κύτους μπορεί να είναι όπως δίνεται στν Πίνακα 3-6. Πίνακας 3-6 Ελάχιστη απόσταση διηλεκτρικής ασπίδας μεταξύ ανόδου και κύτους [8] Ρεύμα εξόδου Ι < Ι < Ι < Ι < 300 ανόδου (Α) Απόσταση (m) 0,5 1 1,5 2 Εικόνα 3.19 Διηλεκτρική ασπίδα για άνοδο εξωτερικού ρεύματος [8] 69

76 Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για το σχηματισμό διηλεκτρικής ασπίδας θα πρέπει να διαθέτουν καλές ηλεκτρικές μονωτικές ιδιότητες, να είναι μη-υγροσκοπικά (ή να μην επηρεάζονται από την απορρόφηση νερού) και να είναι ανθεκτικά στο αλκαλικό περιβάλλον (που παράγεται ως αποτέλεσμα της διάχυσης του ρεύματος ανόδου) και στην καθοδική αποκόλληση. Ως διηλεκτρικές ασπίδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν υλικά όπως πλαστικό ενισχυμένο απο υαλονήματα, προκατασκευασμένα πλαστικά ή ελαστομερή φύλλα, γυαλί ενισχυμένο με εποξική ή πολυεστερική ρητίνη. Διηλεκτρικές ασπίδες μπορεί να αποτελουνται από μια παχυά (π.χ. 4 mm) πρωτογενή ασπίδα που παρέχεται γενικά μαζί με την άνοδο και μια δευτερεύουσα ασπίδα που περιλαμβάνει μια επικάλυψη υψηλής αντοχής στην αποκόλληση. Θα πρέπει να είναι δυνατόν να μειωθεί το πάχος καθώς η απόσταση από τις ανόδους αυξάνει και το δυναμικό μειώνεται. Kάλυψη των περιοχών των διηλεκτρικών ασπίδων με αντιρυπαντικά χρώματα κανονικά δεν μειώνει την απόδοση τους. Ωστόσο, πρέπει να ληφθεί μέριμνα ώστε να διασφαλιστεί ότι οι ενεργές επιφάνειες της ανόδου δεν είναι επικαλυμμένες Ηλεκτρόδια αναφοράς[5][6] Τα ηλεκτρόδια αναφοράς που χρησιμοποιούνται σε συστήματα εξωτερικού ρεύματος στα πλοία είναι μόνιμα τοποθετημένα στο κύτος του πλοίου, εκτεθειμένα στο θαλασσινό νερό. Γενικά χρησιμοποιούνται δύο τύποι ηλεκτροδίων αναφοράς, καθαρού ψευδαργύρου ή αργύρου / χλωριούχου αργύρου. Τα ηλεκτρόδια αναφοράς Ag / AgCl είναι ακριβή αλλά μόνο σε μη αραιωμένο θαλασσινό νερό με αλατότητα 3,5%. Εάν χρησιμοποιηθούν σε νερό άλλης αλατότητας οι τιμές που αναφέρονται θα περιέχουν λάθος. Τα πιο αξιόπιστα ηλεκτρόδια είναι εκείνα του ψευδαργύρου, καθώς έχουν ένα σταθερό δυναμικό και είναι αρκετά ανθεκτικά. Επίσης τα ηλεκτρόδια αναφοράς θα πρέπει να είναι σταθερά στο θεωρητικό δυναμικό τους με ακρίβεια ± 10 mv. Εικόνα 3.20 Ηλεκτρόδια αναφοράς Συνήθως τοποθετούνται σε περιοχές του κύτους που αναμένεται χαμηλότερη πτώση δυναμικού (π.χ. μακριά από τις ανόδους). Σε μεγάλα πλοία θα πρέπει να βρίσκονται τουλάχιστον μέτρα από τις ανόδους, ενώ στα μικρά πλοία πιο κοντά. Πρέπει να λαμβάνονται όλες οι προφυλάξεις για να αποφευχθεί οποιαδήποτε άμεση ηλεκτρική επαφή μεταξύ των ηλεκτροδίων και του σκάφους. Ομοίως, προφυλάξεις πρέπει να λαμβάνονται για να αποφευχθεί οποιαδήποτε διαρροή νερού μέσα από τα σημεία σύνδεσης του ηλεκτροδίου με το πλοίο. Στεγανά πρέπει να 70

77 χρησιμοποιηθούν για να διευκολυνθεί η είσοδος του καλωδίου του ηλεκτροδίου στο εσωτερικό του πλοίου κατά τρόπο που να εξασφαλίζει την μηχανική ακεραιότητα και υδατο-στεγανότητα του σκάφους. 3.2 Η προστασία του κύτους των πλοίων κατά τη διάρκεια της διαρρύθμισης και όταν είναι ακινητοποιημένα [5][6] Περίοδος διαρρύθμισης Εάν πρόκειται να εφαρμοστεί καθοδική προστασία σε ένα πλοίο, είναι προτιμώτερο να γίνει τη στιγμή της καθέλκισης. Οι συνθήκες στις προβλήτες διαρρύθμισης είναι συχνά πολύ διαβρωτικές και είναι ιδιαίτερα σημαντικό να εμποδίσουμε τη εμφάνιση της διάβρωσης και την καταστροφή των επικαλύψεων του κύτους κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, διότι αυτό θα μπορούσε να επηρεάσει την αποτελεσματικότητα του μόνιμου συστήματος. Αυτό δεν ισχύει απαραίτητα σε προβλήτες διαρρύθμισης γλυκού νερού. Όταν πρόκειται ένα πλοίο να εφοδιαστεί με σύστημα προστασίας γαλβανικών ανόδων, αυτές θα πρέπει να τοποθετηθούν πριν από την καθέλκιση για να προστατεύσουν το σκάφος κατά τη διάρκεια της διαρρύθμισης και μέχρι τον πρώτο ελλιμενισμό. Εάν η καθοδική προστασίαπρόκειται να γίνει μέσω συστήματος εξωτερικού ρεύματος, τότε προσωρινές γαλβανικές άνοδοι μπορούν να κρεμαστούν πάνω από το πλοίο και να συνδεθούν ηλεκτρικά με το κύτος. Αυτές οι άνοδοι πρέπει να είναι επαρκείς για να παρέχουν πλήρη πόλωση. Αυτές οι άνοδοι μπορούν να ανυψώνονται στο πλοίο, εάν το σκάφος πρέπει να αλλάξει θέση ελλιμενισμού, και να κατεβαίνουν πάλι κατά την άφιξή στη νέα θέση. Οι άνοδοι μαγνησίου γενικά προτιμώνται λόγω της υψηλής τάσης, αλλά θα πρέπει να κρέμωνται σε κάποια απόσταση (3 ή περισσότερα μέτρα) από το πλησιέστερο σημείο του κύτους για να αποφεύγεται πιθανή ζημιά στην βαφή (Εικόνα 3.19). Άνοδοι ψευδαργύρου ή αλουμινίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν κοντά στο κύτος χωρίς περιορισμούς, και είναι προτιμότερες σε ρηχά νερά. Εικόνα 3.21 Καθοδική προστασία αγκυροβολημένου πλοίου με θυσιαζόμενες ανόδους [5] 71

78 3.2.2 Καθοδική προστασία όταν το πλοίο είναι ακινητοποιημένο Αν η διάρκεια της στασιμότητας δεν είναι προβλέψιμη, μόνιμες γαλβανικές άνοδοι τοποθετημένες στο κύτος μπορεί να μην είναι κατάλληλες, δεδομένου ότι η αντικατάστασή τους απαιτεί ελλιμενισμό του πλοίου. Η επιλογή μεταξύ αιωρούμενων γαλβανικών ανόδοων και ενός συστήματος εξωτερικού ρεύματος που παρέχεται από την ακτή θα καθοριστεί από την προσβασιμότητα της παροχής. Κατά την διάρκεια που το πλοίο έχει αγκυροβολήσει μόνιμα, γαλβανικές ή άνοδοι εξωτερικού ρεύματος μπορούν να τοποθετηθούν στο βυθό της θάλασσας, με την προυπόθεση ότι το διάκενο μεταξύ των ανόδων και της καρίνας είναι επαρκές για να αποφευχθεί φθορά στη βαφή. Η αρχική ρύθμιση του σωστού ρεύματος απαιτεί δύο ή τρεις μετρήσεις δυναμικού σε διαστήματα μερικών ημερών. Στη συνέχεια, οι μετρήσεις μπορούν να γίνουν σε διαστήματα αρκετών μηνών, εφόσον οι συνθήκες του νερού παραμένουν σταθερές και η λειτουργία του συστήματος καθοδικής προστασίας είναι σταθερή. Τα σκάφη που είναι αγκυροβολημένα και στατικά για μεγάλες χρονικές περιόδους (χρόνια) μπορεί να αναπτύξουν θαλάσσιους όγκους και να διαβρωθούν από μικροοργανισμούς. Υπό αυτές τις συνθήκες, τα κριτήρια προστασίας πρέπει να ικανοποιούν τις αναερόβιες συνθήκες (Πίνακας 2-7), με ελάχιστο αρνητικό δυναμικό -0,90V ( Ag / AgCl / θαλασσινό νερό) και μέγιστο αρνητικό δυναμικό -1,10V (Ag / AgCl / θαλασσινό νερό). 3.3 Η προστασία των δεξαμενών των πλοίων [5][[1[][12][17] Παράγοντες που επηρεάζουν το σχεδιασμό Η καθοδική προστασία των εσωτερικών δεξαμενών των πλοίων περιορίζεται σε συστήματα θυσιαζόμενεων ανόδων. Τα συστήματα επιβαλλόμενου ρεύματος εξαιρούνται για λόγους ασφαλείας λόγω του κινδύνου ανάφλεξης μέσω σπινθηρισμού και βραχυκυκλώματος, αλλά και επειδή, στην περίπτωση δεξαμενών που περιέχουν μόνο νερό έρματος, υπάρχει κίνδυνος έκλυσης χλωρίου. Αντικείμενα προστασίας αποτελούν δεξαμενές έρματος και δεξαμενές φορτίου/έρματος. Σε ορισμένους τύπους πλοίων (π.χ., βαθέων υδάτων ρυμουλκά και μονάδες του ναυτικού) το καύσιμο που πρόκειται να καταναλωθεί αντικαθίσταται από θαλασσινό νερό στις δεξαμενές για λόγους σταθερότητας του πλοίου. Στις περιπτώσεις αυτές, οι δεξαμενές καυσίμου πρέπει επίσης να συμπεριληφθούν στο σύστημα καθοδικής προστασίας. Οι άνοδοι ψευδαργύρου, αλουμινίου ή μαγνησίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν, όπως περιγράφεται στο 2.5.1, αλλά για τις εγκαταστάσεις όπου οι συνθήκες είναι πιθανό να συνεπάγονται την παρουσία μιγμάτων εκρηκτικών αερίων, η επιλογή του υλικού της ανόδου θα πρέπει να διέπεται από κανονισμούς ασφαλείας. Η επιλογή του κράματος που θα χρησιμοποιηθεί θα εξαρτηθεί από τη συνολική οικονομία και τη συμβατότητα του κράματος με οποιοδήποτε φορτίο θα μπορούσε να μεταφερθεί στη δεξαμενή. 72

79 Εικόνα 3.22 Εσωτερική προστασία δεξαμενών Η πρώτη απαραίτητη προυπόθεση ενός συστήματος θυσιαζόμενων ανόδων είναι η παρουσία ενός ηλεκτρολύτη ο οποίος, στην περίπτωση των δεξαμενών του πλοίου, είναι συνήθως θαλασσινό νερό (αντίσταση περίπου 25 Ω cm), αλλά μερικές φορές θα είναι υφάλμυρο και περιστασιακά φρέσκο νερό (αντίσταση Ω cm). Δεδομένου ότι η ηλεκτρική αντίσταση ποικίλλει σημαντικά μεταξύ των υδάτων αυτών, το ίδιο θα ισχύει και για το ρεύμα εξόδου από κάθε δεδομένη άνοδο. Ένα σύστημα προστασίας θα πρέπει, ως εκ τούτου, να είναι σχεδιασμένο για το νερό που μεταφέρεται συχνότερα στη δεξαμενή και, αν είναι εφικτό, θα πρέπει να αποκλείεται νερό αισθητά διαφορετικών αλατοτήτων Προστατευτικές επικαλύψεις Ένας συνδυασμός καθοδικής προστασίας και βαφής μπορεί να παρέχει την πλέον ικανοποιητική μέθοδο προστασίας για τους εσωτερικούς χώρους μιας δεξαμενής, υπό την προϋπόθεση ότι η βαφή θα είναι συμβατή με το φορτίο και οποιοδήποτε αδρανές αέριο ενδέχεται να χρησιμοποιηθεί και θα είναι επαρκώς ανθεκτική στα αλκάλια. Ειδικότερα, ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δωθεί σε έναν τέτοιο συνδυασμό, στα μέρη των δεξαμενών που μπορεί να είναι δύσκολο να προστατευθούν με καθοδική προστασία ή ενδέχεται να υποστούν υπερβολική διάβρωση κατά τη διάρκεια των περιόδων όπου οι δεξαμενές είναι άδειες ή περιέχουν μόνο φορτίο. Κατά τη διάρκεια αυτών των περιόδων ρηχά στρώματα ή λίμνες νερού μπορεί, για παράδειγμα, να βρίσκονται στο πυθμένα της δεξαμενής και σε άλλα οριζόντια δομικά στοιχεία και ενδεχομένως να προκαλέσουν τοπική διάβρωση. Διάβρωση των μεταλλικών κατασκευών μπορεί να πραγματοποιηθεί στην κορυφή των δεξαμενών ιδιαίτερα αν αυτές αποτελούν το άνω κατάστρωμα του πλοίου που εκτείθεται στην ατμόσφαιρα, όπου οι καταπονήσεις και οι μεταβολές της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερες απ ότι αλλού. Αυτή η διάβρωση μπορεί να είναι σημαντική αλλά και δύσκολο να αποφευχθεί με καθοδική προστασία. Η προστασία τέτοιων περιοχών του καταστρώματος, αποκλειστικά με καθοδική προστασία είναι επαρκής εφόσον: 73

80 α) το νερό έρματος διατηρείται στο επίπεδο του καταστρώματος, και β) κατά τη διάρκεια των περιόδων χωρίς νερό έρματος η θερμοκρασία του καταστρώματος διατηρείται αρκετά χαμηλά και η διακύμανσή της βρίσκεται στο ελάχιστο σημείο μέσω μονωτικών υλικών ή, λιγότερο αποτελεσματικά, μέσω ανοιχτόχρωμου θερμοανακλαστικού χρώματος στο κατάστρωμα. Δεδομένου ότι οι προϋποθέσεις αυτές είναι συνήθως δύσκολο να επιτευχθούν στην πράξη, μια πιο ικανοποιητική λύση είναι να βάψουμε τη δομή ακριβώς κάτω από το κατάστρωμα και να παρέχουμε καθοδική προστασία στις υπόλοιπες επιφάνειες. Οι επιφάνειες που πρόκειται να προστατευθούν θα πρέπει να είναι η συνολική επιφάνεια των τοιχωμάτων της δεξαμενής, συμπεριλαμβανομένων των δοκών και των σωλήνων. Το τμήμα πάνω από 1,5 m στα πλευρικά τοιχώματα και τα καλύμματα θα πρέπει να παρέχεται με μια επικάλυψη αναγνωρισμένης ποιότητας για την προστασία κατά της διάβρωσης. Οι οριζόντιες επιφάνειες πρέπει να επικαλυφθούν, διότι υπάρχει νερό που λιμνάζει στις δεξαμενές έρματος και υπάρχουν μείγματα νερού-πετρελαίου στις δεξαμενές αργού πετρελαίου όταν ταξιδεύουν τα πλοία άδεια και αυτά μπορεί να προκαλέσουν σοβαρή διάβρωση. Στο κάτω μέρος της δεξαμενής, μέχρι περίπου 1,5 m από τη βάση, επιλέγεται ένας συνδυασμός επικάλυψης και καθοδικής προστασίας με ειδικές ανόδους. Βασικά οι άνοδοι θα μπορούσαν να αναλάβουν την αποκλειστική προστασία στον τομέα αυτό αλλά με κενές δεξαμενές έρματος ή κενές δεξαμενές αργού πετρελαίου δεν εμποδίζουν τη διάβρωση. Οι επικαλλύψεις για τις δεξαμενές θα πρέπει να επιλέγονται έτσι ώστε να μπορούν να αντέξουν τις ιδιαίτερες συνθήκες. Τα σύγχρονα συστήματα απαιτούν πολύ καλή προετοιμασία της επιφάνειας σε βαθμό Sa 2 1/2 σύμφωνα με το πρότυπο ISO , η οποία δεν μπορεί πάντα να επιτευχθεί στην πράξη, λόγω της ιδιαίτερης κατασκευής με ραβδώσεις. Δεξαμενές για τη μεταφορά διάφορων χημικών ουσιών δεν μπορούν συνήθως να προστατευτούν καθοδικά, λόγω του κινδύνου των μολυσματικών προσμείξεων του φορτίου. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται, στις δεξαμενές αυτές, στην ποιότητα της επικάλυψης για να αποφευχθεί η μόλυνση από προϊόντα διάβρωσης Πυκνότητα ρεύματος Υπό συνθήκες σταθερής βύθισης σε θαλασσινό νερό, το δυναμικό μετάλλου/ηλεκτρολύτη σε μία δεξαμενή μπορεί να διατηρηθεί σε επίπεδο προστασίας με μια μέση πυκνότητα ρεύματος της τάξης των ma/m 2. Οι συνθήκες που συναντώνται συχνότερα στην πράξη, ωστόσο, περιλαμβάνουν διακοπτόμενη βύθιση για περιόδους που κυμαίνονται από ώρες έως και πολλές ημέρες. Υπό αυτές τις συνθήκες, θα πρέπει να στοχεύεται η ταχεία επαναπόλωση μιας δεξαμενής μετά από κάθε χρήση έρματος και σε κάποιο βαθμό η υπερπροστασία είναι χρήσιμη στην παραγωγή ασβεστολιθικών ιζημάτων στην σιδηροκατασκευή. Είναι σύνηθες, ως εκ τούτου, να παρέχεται ρεύμα αισθητά μεγαλύτερο από εκείνο που θα χρειαζόταν κάτω από συνθήκες σταθερής βύθισης. Μπορεί επίσης να είναι απαραίτητο, σε ορισμένες περιπτώσεις, να επιτραπεί η επίδραση πετρελαικών ή άλλων ιζημάτων. Για 74

81 παράδειγμα, μπορεί να αναμένεται ότι η επικάλυψη της επιφάνειας που πρόκειται να προστατευθεί θα προκαλέσει μια αισθητή μείωση στη ζήτηση του ρεύματος για την επίτευξη της προστασίας. Σε δεξαμενές που χρησιμοποιούνται για κανονικό θαλασσινό νερό, είτε μόνο του ή εναλλάξ με καθαρά φορτία, μπορεί να υποτεθεί ότι οι επιφάνειες της σιδηροκατασκευής είναι απίθανο να επικαλυφθούν από ιζήματα και έτσι η σχεδιαζόμενη πυκνότητα ρεύματος συνήθως λαμβάνεται περίπου 120 ma/m 2 για τις δεξαμενές ζυγοστάθμισης και τις άνω πλευρικές και 110 ma/m 2 για άλλες δεξαμενές έρματος νερού και δεξαμενές φορτίου/έρματος στα δεξαμενόπλοια μεταφοράς προϊόντων. Από την άλλη πλευρά, αν μια δεξαμενή πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για θαλασσινό νερό εναλλάξ με φορτία που είναι γνωστό ότι αφήνουν ιζήματα, χρησιμοποιείται μια χαμηλότερη πυκνότητα ρεύματος. Πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψην η επίδραση στην απόδοση της ανόδου από τη μόλυνση των ίδιων των ανόδων, αν και τα υλικά ανόδου που είναι ιδιαίτερα πιθανόν να επηρεάζονται από τη μόλυνση αποφεύγονται. Πιθανώς το πιο συχνό παράδειγμα είναι δεξαμενόπλοια που ασχολούνται με την τακτική μεταφορά αργού πετρελαίου. Η πυκνότητα ρεύματος σε τέτοιες εφαρμογές κανονικά υποτίθεται ότι είναι περίπου 90 ma/m 2 κατά μέσο όρο επί του συνόλου της εξεταζόμενης επιφάνειας. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται συνοπτικά οι πυκνότητες ρεύματος για διάφορες δεξαμενές πλοίων. ΠΙΝΑΚΑΣ 4-7 Μέση πυκνότητα ρεύματος [17] Περιοχή Πυκνότητα ρεύματος ma/m 2 Δεξαμενές έρματος Άνω πλευρικές δεξαμενές 120 Πλωριά και πρυμνιά δεξαμενή ζυγοστάθμισης Δεξαμενές των διπύθμενων Δεξαμενή φορτίου Επικαλυμμένες επιφάνειες (σε άριστη κατάσταση) 5-10 Οι πυκνότητες ρεύματος που δίνονται παραπάνω εφαρμόζονται στα πλοία για τα οποία η κανονική διάρκεια ταξιδιού υπό έρμα είναι μεγαλύτερη από περίπου 5 ημέρες. Συνιστάται ότι τα αριθμητικά στοιχεία πρέπει να αυξηθούν κατά περίπου 10% για τα πλοία που αναμένεται να εκτελούν μικρότερα χρονικά ταξίδια. Σε εκείνες τις περιπτώσεις όπου η δεξαμενή ενός πλοίου είναι μερικώς ή ολικώς βαμμένη, η καθοδική προστασία μπορεί να συνιστάται για να περιορίσει τη διάβρωση σε οποιεσδήποτε άβαφες περιοχές ή / και την τοπική διάβρωση στις ατέλειες της βαφής. Ως κανόνας η αρχική σχεδιαζόμενη πυκνότητα ρεύματος θα είναι περίπου 5 ma/m 2 για εκείνες τις επιφάνειες που είναι βαμμένες, με την προσθήκη 10 ma/m 2 για κάθε 10% της αναμενόμενης επιδείνωσης κατά τη διάρκεια ζωής του συστήματος καθοδικής προστασίας. Ως ένα παράδειγμα, ένα σύστημα καθοδικής προστασίας που έχει σχεδιαστεί για μί αναμενόμενη επιδείνωση της βαφής 20% θα απαιτήσει μία πυκνότητα ρεύματος περίπου 25 ma/m 2. Όταν τμήματα μόνο μιας 75

82 δεξαμενής είναι βαμμένα, το συνολικό ρεύμα μπορεί να υπολογιστεί ως το άθροισμα των επικαλυμμένων και μη επικαλυμμένων περιοχών. Το ρεύμα που παρέχεται από μια άνοδο κατά τη διάρκεια της ενεργού λειτουργίας της στη δεξαμενή ενός πλοίου θα ποικίλλει, υπό οποιεσδήποτε συνθήκες, με το βαθμό πόλωσης της σιδηροκατασκευής, αλλά πρόβλεψη για αυτή τη μεταβολή έχει γίνει κατά τον υπολογισμό των πυκνοτήτων ρεύματος Σχεδιασμός ανόδων και συστήματος θυσιαζόμενων ανόδων Σχεδιασμός ανόδου και προσκόλληση Για κανονική εφαρμογή, οι άνοδοι έχουν έναν απλό βασικό σχεδιασμό, συνήθως με τη μορφή των προϊόντων χύτευσης. Έχουν, με εξαίρεση εκείνων που προορίζονται για ειδικές εφαρμογές, έναν πυρήνα από χάλυβα για άμεση σύνδεση με συγκόλληση ή κοχλίωση στην σιδηροκατασκευή των δεξαμενών ή σε κατάλληλα μεταλλικά στηρίγματα. Τα τυπικά σχήματα και μεγέθη ανόδου φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 3.23 Τυπικές θυσιαζόμενες άνοδοι και ρυθμίσεις για την εγκατάστασή τους στο εσωτερικό δεξαμενών [5] Ο σχεδιασμός των ανόδων και των στηριγμάτων πρέπει να είναι τέτοιος ώστε να μην υπάρχει καμία πιθανότητα αποκόλλησης κατά την διάρκεια λειτουργίας τους, ή τμήματα μιας ανόδου να αποκοπούν από τον πυρήνα. Όλες οι συγκολλήσεις που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση των ανόδων και των στηριγμάτων θα πρέπει να είναι σύμφωνες με το δομικό πρότυπο που εφαρμόζεται οπουδήποτε αλλού στην εν λόγω δεξαμενή. Οι άνοδοι δεν θα πρέπει να τοποθετούνται σε μέρη όπου είναι πιθανό να καταστραφούν κατά τη διάρκεια εργασιών εντός των δεξαμενών. 76

83 Εικόνα 3.24 Βιδωτή θυσιαζόμενη άνοδος σε εσωτερικό δεξαμενής Κάθε σύστημα καθοδικής προστασίας πρέπει να υποβάλλεται, και να λαμβάνει την έγκριση, από κατάλληλες ενώσεις νηογνωμόνων για κάθε πλοίο. Στην περίπτωση δεξαμενών όπου μπορεί ανά πάσα στιγμή να περιέχονται εκρηκτικά αέρια υπάρχει κίνδυνος από σπινθηρισμούς, οι οποίοι μπορεί να παραχθούν εάν μια άνοδος ή τμήμα της ανόδου αποσπαστεί και πέσει πάνω σε ένα τμήμα χάλυβα. Στο πλαίσιο αυτό, η Διεθνής Ένωση Νηογνωμόνων απαγορεύει τη χρήση των ανόδων μαγνησίου στις δεξαμενές φορτίου δεξαμενοπλοίων. Οι άνοδοι αλουμινίου επιτρέπονται μόνο σε δεξαμενές φορτίου δεξαμενόπλοιων όπου η δυναμική ενέργεια δεν υπερβαίνει τα 27 kg m. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι δεν θα πρέπει να τοποθετούνται σε ύψος (σε m) μεγαλύτερο από 27 / W όπου W είναι η συνολική μάζα (σε kg) ανόδου και ενθέτου. Το ύψος της ανόδου πρέπει να υπολογίζεται από τον πυθμένα της δεξαμενής μέχρι το κέντρο της ανόδου και το βάρος της, να λαμβάνεται ως το βάρος της ανόδου όταν τοποθετηθεί (συμπεριλαμβανομένων των συσκευών τοποθέτησης). Εξαιρέσεις στον προηγούμενο κανόνα γίνονται στις περιπτώσεις όπου οι άνοδοι βρίσκονται σε μεγάλες οριζόντιες επιφάνειες από τις οποίες δεν μπορούν να πέσουν, όπως ιστούς, και οριζόντιες δοκούς. Άνοδοι αλουμινίου που περιέχουν μαγνήσιο δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται σε δεξαμενές φορτίου. Σχετικά με την τοποθέτηση ανόδων ψευδαργύρου δεν υπάρχει κανένας περιορισμός αλλά πρακτικά συνίσταται η δυναμική ενέργεια να μην υπερβαίνει τα 540 kg m, διότι σε μια υποτιθέμενη πτώση ανόδου ψευδαργύρου από αρκετό ύψος, το ένθετο χάλυβα μπορεί να παράγει μια σπίθα από την επαφή με το σκουριασμένο χάλυβα Χωρητικότητα και αριθμός ανόδων Κατά τον προσδιορισμό της χωρητικότητας αμπέρ-έτος του συστήματος ανόδων που πρέπει να παρέχεται σε μια δεξαμενή, θα πρέπει να ληφθούν υπόψη οι ακόλουθοι παράγοντες: α) το συνολικό ρεύμα, υπολογίζεται από τα στοιχεία για την πυκνότητα ρεύματος που αναφέρεται στο και την συνολική επιφάνεια που καλύπτεται από τον ηλεκτρολύτη β) την απαιτούμενη διάρκεια ζωής. Αυτή συνήθως ορίζεται στα 5 χρόνια. 77

84 γ) το ποσοστό του χρόνου που η δεξαμενή θα περιέχει ηλεκτρολύτη. Στην περίπτωση της συνεχούς φόρτωσης (γεμάτες δεξαμενές), το ποσοστό ορίζεται ως 1. Η χωρητικότητα (σε αμπέρ-έτος) θα δίνεται από: [Συνολικό ρεύμα (σε Α)] (διάρκεια ζωής σε έτη) (κλάσμα του χρόνου κατά το οποίο ο ηλεκτρολύτης είναι παρών). Η συνολική μάζα του υλικού ανόδου που απαιτείται μπορεί να υπολογιστεί από την χωρητικότητα αμπέρ-έτους, όπως ορίζεται παραπάνω επί το ρυθμό κατανάλωσης του επιλεγμένου κράματος όπως δίδεται στον Πίνακα 2-1. Η μάζα των ανόδων αυξάνεται συνήθως κατά 20%, έτσι ώστε στο τέλος της αναμενόμενης ζωής τα υπολείμματα της ανόδου να είναι ακόμα ενεργά. Η μάζα και η μορφή των μεμονωμένων ανόδων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν θα εξαρτάται από παράγοντες, όπως η ευκολία χειρισμού και η γεωμετρία της δομής της δεξαμενής. Μόλις έχει επιλεγεί ο τύπος της ανόδου, ο αριθμός των ανόδων που απαιτούνται για να παράσχουν την υπολογισμένη χωρητικότητα αμπέρ-έτους μπορεί να υπολογιστεί διαιρώντας τη συνολική μάζα του υλικού ανόδου προς τη μάζα των επιμέρους ανόδων Κατανομή των ανόδων Η πρακτική εμπειρία θα παρέχει γενικές πληροφορίες για τις ελάχιστες αποστάσεις οι οποίες είναι ενδεδειγμένες μεταξύ ανόδων οποιουδήποτε συγκεκριμένου τύπου, εφόσον πρόκειται να επιτευχθεί καθοδική προστασία. Εάν ο αριθμός των ανόδων που υπολογίζονται σε αυτή τη βάση είναι σημαντικά διαφορετικός από εκείνον που υπολογίζεται από τη χωρητικότητα αμπερ-έτος, συνιστάται να επιλέγεται ένα εναλλακτικό μέγεθος ανόδου και ο υπολογισμός να επαναλαμβάνεται. Εικόνα 3.25 Τοποθέτηση των ανόδων σε δεξαμενές Επειδή δεν γνωρίζουμε τη στάθμη πλήρωσης μιας δεξαμενής, οι άνοδοι πρέπει να τοποθετούνται πρωτίστως στα χαμηλότερα τμήματα, δηλαδή σε περιοχές που είναι πιθανότερο να βραχούν. Σε περιπτώσεις όπου αναμένεται στο πυθμένα της 78