ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. «Καθοδική προστασία σε πλοία: α. με θυσιαζόμενα ηλεκτρόδια & β. με επιβολή εξωτερικής τάσης σύστημα ICCP»

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Καθοδική προστασία σε πλοία: α. με θυσιαζόμενα ηλεκτρόδια & β. με επιβολή εξωτερικής τάσης σύστημα ICCP» Νικολόπουλος Γεώργιος Α.Μ Χανιά 2018

2

3 ΑΚΑΔΗΜΙΑ ΕΜΠΟΡΙΚΟΥ ΝΑΥΤΙΚΟΥ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΜΗXΑΝΙΚΩΝ Πτυχιακή εργασία: «Καθοδική προστασία σε πλοία: α. με θυσιαζόμενα ηλεκτρόδια & β. με επιβολή εξωτερικής τάσης σύστημα ICCP» ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: ΜΠΑΜΠΑΤΣΟΥΛΗ ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ : ΝΙΚΟΛΟΠΟΥΛΟΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ Ημερομηνία ανάθεσης: Ημερομηνία παράδοσης: Ημερομηνία εξέτασης: Βεβαιώνεται ότι η παρούσα διπλωματική είναι ολοκληρωμένη. Ο εισηγητής Η καθηγήτρια Μπαμπατσούλη Παναγιώτα

4

5

6 [6]

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη...9 Πρόλογος...10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο 1.1 Ορισμός Γενικά περί διάβρωσης Παράγοντες που επηρεάζουν την διάβρωση Είδη διάβρωσης ανάλογα με την μορφολογία του διαβρωτικού αποτελέσματος Είδη διάβρωσης ανάλογα με τους παράγοντες που την προκαλούν Η διάβρωση στην μεταλλική κατασκευή του πλοίου Μέτρα προστασίας κατά το στάδιο του σχεδιασμού...19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο 2.1 Εισαγωγή στις μεθόδους αντιδιαβρωτικής προστασίας Καθοδική προστασία Ορισμός Μέθοδοι καθοδικής προστασίας Βασικά μέρη του συστήματος επιβολής εξωτερικής τάσης Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Σύγκριση των δύο μεθόδων προστασίας Συσκευή γείωσης ελικοφόρου άξονα Παρατηρήσεις σχετικά με την διάταξη ενός τυπικού συστήματος ICCP...32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο 3.1 Θαλάσσια επικαλυπτικά Υφαλοχρώματα Κατηγορίες υφαλοχρωμάτων Χαρακτηριστικά ιδανικών επικαλύψεων...36 Επίλογος...37 Βιβλιογραφία...38 [7]

8 [8]

9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η ανάλυση και κατανόηση των μεθόδων αντιδιαβρωτικής προστασίας που χρησιμοποιούνται σήμερα στα πλοία. Αρχικά, πραγματοποιείται μια ιστορική αναδρομή στο φαινόμενο της διάβρωσης και στις πρώτες μεθόδους αντιδιαβρωτικής προστασίας. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια γενική εισαγωγή στο φαινόμενο της διάβρωσης, αναλύονται τα διάφορα είδη διάβρωσης που υφίσταται μια μεταλλική κατασκευή, όπως η γάστρα ενός πλοίου. Επίσης, στο κεφάλαιο αυτό αναφέρονται ορισμένα μέτρα προστασίας τα οποία εφαρμόζονται κατά την φάση σχεδιασμού και κατασκευής. Στο κεφάλαιο 2 αναλύονται λεπτομερώς οι δύο κυριότερες μέθοδοι αντιδιαβρωτικής προστασίας που χρησιμοποιούνται: αυτή των θυσιαζόμενων ανοδίων και της επιβολής εξωτερικής τάσης (σύστημα ICCP). Τέλος, στο κεφάλαιο 3 γίνεται μια γενική αναφορά σε έναν ακόμη βασικό τρόπο αντιδιαβρωτικής προστασίας, τα θαλάσσια επικαλυπτικά (υφαλοχρώματα). *** ABSTRACT The purpose of this project is the analysis and understanding of the anticorrosion methods that are used nowadays on vessels. Initially, a brief historical retrospection on the corrosion phenomenon and the first cathodic protection system is made. Chapter 1 provides an introduction to the corrosion phenomenon and analyzes the factors that effect a metallic structure, like a ship s hull. In this chapter, are also mentioned some protection measures which are applied at the design and construction phase. Chapter 2 describes in detail the two most basic anticorrosion methods that are used: the sacrificial anodes and the impressed current cathodic protection (ICCP system). Chapter 3 gives a brief description to another basic method of corrosion protection, the hull paints. [9]

10 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διάβρωση είναι ένα φαινόμενο που έχει παρατηρηθεί από την αρχαιότητα πως επηρεάζει όχι μόνο την ποιότητα της καθημερινής ζωής αλλά και την τεχνολογική πρόοδο της ανθρώπινης κοινωνίας. Ιστορικά στοιχεία έχουν βρεθεί όσον αφορά και τις αντιδιαβρωτικές βαφές. Τρόποι δημιουργίας και εφαρμογής χρωμάτων για μέταλλα ανακαλύφτηκαν σε παπύρους που χρονολογούνται το 412 π.χ. Το φαινόμενο της διάβρωσης είναι ένα θέμα που έχει απασχολήσει φιλόσοφους, συγγραφείς και επιστήμονες ανά τους αιώνες. Χαρακτηριστικά είναι τα εξής ιστορικά παραδείγματα: Τον 5 ο αιώνα π.χ., ο Ηρόδοτος προτείνει ως μέσο προστασίας του σιδήρου από οξείδωση την επικασσιτέρωσή του. Ο Βρετανός συγγραφέας Richard Austin Freeman παρατηρεί το 1788 ότι νερό με ουδέτερο ph γίνεται αλκαλικό με την προσθήκη σιδήρου. Ο χημικός Louis Jacques Thenard το 1819 είναι ο πρώτος που προτείνει τη διάβρωση ως ένα ηλεκτροχημικό φαινόμενο. Λίγο αργότερα, το 1829 ο A. Hall διαπιστώνει πως ο σίδηρος δεν σκουριάζει εφόσον υπάρχει απουσία οξυγόνου. Η καθοδική προστασία περιγράφεται πρώτη φορά από τον sir Humphry Davy το 1824, όταν ζητήθηκε η βοήθειά του από το Βασιλικό Ναυτικό στην διερεύνηση της διάβρωσης των φύλλων χαλκού που χρησιμοποιούνταν ως επένδυση στο ξύλινο σκαρί των πολεμικών πλοίων. Ως μέσο προστασίας πρότεινε την μέθοδο θυσιαζόμενου ψευδαργύρου για περιορισμό της διάβρωσης. Επάνω στην ιδέα του Davy βασίστηκε λίγο καιρό αργότερα ο Faraday, ο οποίος εισήγαγε τις ποσοτικές σχέσεις μεταξύ των χημικών δράσεων και του ηλεκτρικού ρεύματος. Η ταχεία ανάπτυξη των συστημάτων καθοδικής προστασίας έγινε στις ΗΠΑ, όπου από το 1945 και μετά, καθιερώθηκε για την προστασία υπόγειων χαλύβδινων σωλήνων μεταφοράς πετρελαίου και φυσικού αερίου. [10]

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο 1.1 Ορισμός Γενικά περί διάβρωσης Ένας από τους ακριβέστερους και πιο περιγραφικός ορισμός που έχει δοθεί για την διάβρωση είναι ο παρακάτω: Διάβρωση λέγεται κάθε αυθόρμητη, κατ επέκταση εκβεβιασμένη, ηλεκτροχημικής, κατ επέκταση χημικής, κατ επέκταση μηχανικής, κατ επέκταση βιολογικής φύσης αλλοίωση της επιφάνειας των μετάλλων και των κραμάτων που οδηγεί σε απώλεια υλικού. Η διάβρωση είναι μία αυθόρμητη χημική διεργασία, η οποία υπάγεται στην επιστήμη της ηλεκτροχημείας. Κατά την διάβρωση, το μεταλλικό υλικό, υπό την επίδραση εξωτερικών περιβαλλοντικών παραγόντων (αέρας, βροχή, υγρασία, θάλασσα) χάνει ηλεκτρόνια, τα οποία δεσμεύονται από το οξυγόνο του περιβάλλοντος. Υπάρχει δηλαδή αύξηση του σθένους του μετάλλου, όπως φαίνεται στην παρακάτω αντίδραση: Me Men + + ne - Ο όρος διάβρωση αναφέρεται αποκλειστικά στην χημική διεργασία που υπόκεινται αντικείμενα από μέταλλο ή κράμα μετάλλων και πρόκειται για ένα φαινόμενο θερμοδυναμικά αυθόρμητο. Η πιο συνηθισμένη μορφή διάβρωσης είναι η γνωστή σε όλους σκουριά ή επιστημονικά οξείδωση, δηλαδή η χημική αντίδραση που πραγματοποιείται όταν αντιδρά ένα μέταλλο ή κράμα μετάλλου με το οξυγόνο. Ως μια αρχική κατηγοριοποίηση, έχουμε τα 2 εξής είδη διάβρωσης: χημική ηλεκτροχημική Πιο αναλυτικά: Κατά την χημική διάβρωση, τα μέταλλα και τα κράματα μετατρέπονται σε οξείδια χωρίς παρουσία νερού ή διαλύματος υπό ταυτόχρονη θέρμανση. Για να δημιουργηθεί ηλεκτροχημική διάβρωση απαραίτητη είναι η παρουσία ηλεκτρολύτη για την μεταφορά των ιόντων και τη δυνατότητα δημιουργίας ανόδου και καθόδου. Κατά την ηλεκτροχημική διάβρωση, το μέταλλο της ανόδου διαλύεται και είτε παραμένει σε διαλυμένη κατάσταση είτε εναποτίθεται σαν προϊόν οξείδωσης επάνω στην κάθοδο. Το ηλεκτρολυτικό στοιχείο (εικόνα 1.1α) αποτελείται από: Άνοδος (anode): χαρακτηρίζεται το λιγότερο ευγενές ή λιγότερο θετικά φορτισμένο μέταλλο. Το μέταλλο αυτό ελευθερώνει ηλεκτρόνια µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία θετικά φορτισμένων ιόντων. Ηλεκτρολύτης (electrolyte): πρόκειται για υδατικό διάλυµα (π.χ. νερό, αλκαλικά ή όξινα διαλύµατα) το οποίο λειτουργεί ως αγωγός, επιτρέποντας τη μετακίνηση ιόντων από την άνοδο προς την κάθοδο. Κάθοδος (cathode): χαρακτηρίζεται το ευγενέστερο ή αρνητικά φορτισμένο μέταλλο. Τα ηλεκτρόνια της ανόδου που περισσεύουν οδεύουν προς την κάθοδο, όπου και εκφορτίζουν τα θετικά ιόντα του ηλεκτρολύτη. [11]

12 Εικόνα 1.1α: σχηματική αναπαράσταση του μηχανισμού διάβρωσης 1.2 Παράγοντες που επηρεάζουν την διάβρωση Οι βασικοί παράγοντες που θα οδηγήσουν στην εμφάνιση του φαινομένου της διάβρωσης είναι οι εξής: pη του διαλύµατος: έχει παρατηρηθεί ότι τα όξινα διαλύµατα επιδεινώνουν την ταχύτητα της διάβρωσης. θερµοκρασία: µε την αύξησή της το φαινόµενο επιδεινώνεται, με αποτέλεσμα η µέγιστη διάβρωση να εµφανίζεται γύρω στους 80 C, ενώ σε υψηλότερες θερµοκρασίες, η ταχύτητα διάβρωσης ελαττώνεται, καθώς περιορίζεται η διαλυτότητα του οξυγόνου. περιεκτικότητα σε οξυγόνο: είναι πλέον αποδεδειγμένο πως υπάρχει επιτάχυνση της διάβρωσης σε περιβάλλον πλούσιο σε οξυγόνο. ταχύτητα ροής του περιβάλλοντος ρευστού: αυξάνοντας την ταχύτητα του ρευστού, αυξάνεται αντίστοιχα η ταχύτητα διάβρωσης λόγω αποκόλλησης των προστατευτικών στρωµάτων. περιεκτικότητα σε άλατα: το ποσοστό αλάτων του διαλύματος επηρεάζουν την αγωγιμότητά του. είδος του διαβρωτικού µέσου: για παράδειγμα, διαφορετική συμπεριφορά παρουσιάζουν μέταλλα που εκτίθενται σε όξινο περιβάλλον απ ότι σε αλκαλικό. [12]

13 Στις ηλεκτροχηµικές διαβρώσεις χωρίς µηχανική καταπόνηση, εντάσσονται η στρωµατική διάβρωση, η διάβρωση επαφής, η εκλεκτική διάβρωση, η τριµατική διάβρωση και η διάβρωση διακένων. Με την παρουσία µηχανικής καταπόνησης, εντάσσονται η ρηγµατική διάβρωση υπό τάση, η ρηγµατική διάβρωση υπό ταλάντωση, η µηχανική διάβρωση, η σπηλαίωση και η τριβική διάβρωση. Τέλος, στις διαβρώσεις ανήκει και η ψαθυροποίηση και ρηγµάτωση από την παρουσία υδρογόνου, λόγω της διείσδυσης ατόμων υδρογόνου στο κρυσταλλικό πλέγμα. Εξίσου σημαντική είναι και η ταχύτητα εξάπλωσης της διάβρωσης. Οι παράγοντες που μπορεί να οδηγήσουν σε αύξηση της ταχύτητας της διάβρωσης είναι οι παρακάτω: Συνθήκες που εμποδίζουν τη μεταλλική επιφάνεια να στεγνώσει σωστά και πλήρως, π.χ. ελλιπής αερισμός ή παρουσία αλάτων που απορροφούν υγρασία. Αυξημένη αγωγιμότητα λόγω συγκράτησης υγρασίας σε μεταλλικές επιφάνειες. Υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, απότομες μεταβολές περιβαλλοντικών συνθηκών. Μηχανικές καταπονήσεις που καταστρέφουν τις προστατευτικές επικαλύψεις των επιφανειών. Καταστροφή προστατευτικών οξειδίων που παρέχουν παθητική προστασία σε μεταλλικές επιφάνειες. 1.3 Είδη διάβρωσης ανάλογα με την μορφολογία του διαβρωτικού αποτελέσματος Οµοιόµορφη διάβρωση General corrosion Στην επιφάνεια του µετάλλου ή του κράµατος δημιουργείται ένα οµοιόµορφο στρώµα (εικόνα 1.3.1α), προκαλώντας σταδιακά την οµοιόµορφη διάλυση της επιφάνειας. Η φύση του στρώµατος του προϊόντος διάβρωσης υπαγορεύει και το ρυθµό της διάβρωσης (rate of corrosion). Αν το στρώµα είναι συνεχές και αδιαπέραστο δεν αποσπάται όταν το µέταλλο εφελκύεται και δημιουργείται ξανά όταν για κάποιο λόγο προκληθεί κάποια εκδορά. Σε αυτή την περίπτωση, το στρώµα αυτό συμβάλει στην προστασία κατά της διάβρωσης. Η διαβρωτική ικανότητα του θαλασσινού νερού στους χάλυβες αυξάνει µε την αύξηση της θερµοκρασίας, της περιεκτικότητάς σε οξυγόνο και της ταχύτητάς του. Η απώλεια βάρους είναι η συνηθέστερα χρησιµοποιούμενη µέθοδος για τον προσδιορισµό του ποσοστού διάβρωσης των µετάλλων, όταν έχουν υποστεί οµοιόµορφη διάβρωση. Με αυτήν την µέθοδο, ένα δείγµα του μετάλλου καθαρίζεται, ζυγίζεται, και µετριέται η επιφάνειά του. Έπειτα εκτίθεται για µια συγκεκριµένη χρονική περίοδο, καθαρίζεται από τα προϊόντα διάβρωσης και ξαναζυγίζεται. Σε µερικές περιπτώσεις αυτό ελέγχεται περαιτέρω από τις µετρήσεις πάχους. Εικόνα 1.3.1α : παράδειγμα ομοιόμορφης διάβρωσης Εικόνα 1.3.1β: σχηματική απεικόνιση [13]

14 1.3.2 ιάβρωση µε βελονισμούς Pitting corrosion Αυτού του είδους η διάβρωση πραγματοποιείται τοπικά αλλά σε βάθος (εικόνα 1.3.2α). Όταν για κάποιο λόγο, π.χ. έλλειψη οξυγόνου, διασπασθεί η οµοιογένεια του προστατευτικού οξειδίου, οι µικρές επιφάνειες, όπου εµφανίζεται η ανωµαλία, γίνονται άνοδοι ενώ η υπόλοιπη επιφάνεια δρα ως κάθοδος. Αποτέλεσµα αυτής της διαδικασίας είναι η ταχεία γαλβανική διάβρωση. Κύριες αιτίες είναι η διαφορά συγκέντρωσης οξυγόνου, θερµοκρασίας και ταχύτητας ροής. Η διάβρωση µε βελονισµούς, ιδιαίτερα στους ανοξείδωτους χάλυβες και στα κράµατα αλουµινίου, συχνά επιταχύνεται µε την ύπαρξη στάσιµων νερών, διότι τότε το νερό έχει χαμηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο. Πρόκειται για ένα από τα πιο καταστρεπτικά είδη διάβρωσης, διότι προκαλείται καταστροφή των υλικών λόγω διάτρησης. Συνήθως είναι δύσκολο να διακρίνουµε τους βελονισµούς, είτε λόγω µεγέθους, είτε γιατί συχνά καλύπτονται από τα προϊόντα της διάβρωσης. Τα περισσότερο ευπαθή µέταλλα είναι αυτά που προστατεύονται µε λεπτά στρώµατα οξειδίων, όπως ο χαλκός, ο ανοξείδωτος χάλυβας, το αλουµίνιο, το τιτάνιο και το µαγνήσιο. Μπορεί όµως να εµφανιστεί και σε άλλα µέταλλα. Εικόνα 1.3.2α: παράδειγμα διάβρωσης με βελονισμούς Εικόνα 1.3.2β: σχηματική απεικόνιση ιάβρωση χαραγής Engraving corrosion Μια σχισµή (εικόνα 1.3.3α) µπορεί να αποτελέσει συχνά αιτία έντονης διάβρωσης, εξαιτίας εµφάνισης διαφορετικής συγκέντρωσης ηλεκτρολύτη µέσα και έξω από αυτή. Οποιαδήποτε κατάσταση που δημιουργεί μια διαφορά στο περιβάλλον μεταξύ των περιοχών ενός μετάλλου μπορεί να προκαλέσει αυτό το είδος διάβρωσης. Ο βασικός λόγος είναι η διαφορά δυναµικού µεταξύ των περιοχών του ίδιου του µετάλλου που εκτίθεται σε διαφορετικά περιβάλλοντα, καθώς και η αντίσταση του ηλεκτρολύτη στη ροή των ιόντων. Αυτή η µορφή διάβρωσης είναι συχνά η δυσκολότερη στο να αποφευχθεί κατά τη διάρκεια του σχεδιασµού και είναι επίσης µια από τις πιο κοινές αιτίες της αστοχίας του ναυτικού εξοπλισµού. Εικόνα 1.3.3α: παράδειγμα διάβρωσης χαραγής Εικόνα 1.3.3β: σχηματική αναπαράσταση [14]

15 1.3.4 Περικρυσταλλική διάβρωση Crystalline corrosion Εµφανίζεται στα περατωτικά όρια των µεταλλικών κόκκων όπου σχηµατίζονται τοπικά γαλβανικά στοιχεία, είτε λόγω υψηλότερης κρυσταλλικής ενέργειας των σηµείων αυτών, είτε λόγω συγκέντρωσης ακαθαρσιών και στοιχείων κραµατοποίησης (εικόνα 1.3.4α). Για σωστό έλεγχο, απαιτείται µικροσκοπική εξέταση. Ειδική περίπτωση περικρυσταλλικής διάβρωσης αποτελεί η διάβρωση στη περιοχή των συγκολλήσεων ανοξείδωτων χαλύβων. Αυτή αντιµετωπίζεται µε θερµική κατεργασία, ελάττωση του περιεχόµενου άνθρακα κάτω από 0.03% ή προσθήκη *καρβιδίων, όπως ταντάλιο (Ta), τιτάνιο (Ti) ή νιόβιο (Νb). Στην περικρυσταλλική διάβρωση, αν και η απώλεια υλικού είναι σχετικά μικρή, οι κρύσταλλοι χάνουν τη συνοχή τους με αποτέλεσμα την επιφανειακή αποσάθρωση του υλικού. Αυτή η μορφή διάβρωσης είναι χαρακτηριστική στους χάλυβες χρωμίου και νικελίου. Η ερμηνεία του φαινομένου στηρίζεται στη δημιουργία τοπικών γαλβανικών στοιχείων, επειδή η συγκέντρωση χρωμίου στα όρια των κόκκων είναι μικρότερη από ότι στο εσωτερικό τους, με αποτέλεσμα τα όρια των κόκκων να καθίστανται ανοδικά (διάλυση), ενώ το εσωτερικό των κόκκων να είναι καθοδικό. Η χημική σύνθεση του κράματος, οι συνθήκες χύτευσης και οι θερμικές κατεργασίες είναι κρίσιμοι παράγοντες για την αντιμετώπισή της στα κράματα. *ενώσεις του άνθρακα με ηλεκτροθετικά στοιχεία, κυρίως μέταλλα και ορισμένα αμέταλλα Εικόνα 1.3.4α: παράδειγμα περικρυσταλλικής διάβρωσης σε μεγέθυνση Εκλεκτική διάβρωση Eclectic corrosion Είναι η αποµάκρυνση ενός µόνο στοιχείου από ετερογενές στερεό κράµα. Εµφανίζεται µόνο σε περιπτώσεις όπου δύο ή περισσότερα µέταλλα δηµιουργούν στερεό διάλυµα. Κατά τη διαβρωτική διαδικασία διαλύεται µόνο το λιγότερο ευγενές µέταλλο, ενώ το υπόλοιπο διατηρεί τη µεταλλική του µορφή, με ταυτόχρονη όμως µείωση της µηχανικής του αντοχής. Η αντίσταση στη διάβρωση των κραµάτων εξαρτάται από τη σύνθεση τους και αυξάνεται σε περίπτωση που υπάρχει συγκέντρωση κάποιου ευγενέστερου συστατικού. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η εκλεκτική απομάκρυνση του ψευδάργυρου από κράματα 30 % Zn 70 % Cu (ορείχαλκος) που έχει σαν αποτέλεσμα την αλλαγή του χρώματος από το κιτρινωπό του ορείχαλκου στο κοκκινωπό του χαλκού. [15]

16 1.3.6 Θερμογαλβανική διάβρωση Thermogalvanic corrosion Αυτή η μορφή διάβρωσης είναι παρόμοια με τη γαλβανική διάβρωση. Προκαλείται λόγω διαφοράς θερµοκρασίας µεταξύ δύο τµηµάτων της ίδιας κατασκευής, δημιουργώντας ανοδικές και καθοδικές περιοχές που οδηγούν σε τοπική προσβολή. Αντιµετωπίζεται µε ομοιόμορφη θέρµανση ή ψύξη, κατάλληλο σχεδιασµό για αποφυγή επαφής µε υγρά από εξωτερική πηγή διαφορετικής θερµοκρασίας και εξασφάλιση της συνέχειας της µόνωσης ή της επένδυσης ιάβρωση από ρεύµατα διαφυγής Escape currents corrosion Ρεύµατα διαφυγής ονοµάζονται τα συνεχή ρεύµατα που ακολουθούν δρόµο διαφορετικό από τον προβλεπόµενο. Τα ρεύµατα αυτά µπορεί να προέρχονται από σιδηροδρόμους, διατάξεις συγκολλήσεων, συστήµατα γείωσης και καθοδικής προστασίας κτλ. Η διάβρωση εµφανίζεται στα σημεία εξόδου των ρευμάτων. Αντιµετωπίζεται µε κατάλληλη σύνδεση διατάξεων, ηλεκτρική µόνωση, επιφανειακά επιστρώµατα, καθοδική προστασία, χρήση µη αγώγιµων ρευστών και θυσιαζόµενων ανόδων. 1.4 Είδη διάβρωσης ανάλογα με τους παράγοντες που την προκαλούν Βιολογική ή µικροβιολογική ή βακτηριακή διάβρωση Biological or microbiological or bacterial corrosion Γνωστή επίσης και ως αναεροβική διάβρωση, εµφανίζεται στις περιπτώσεις όπου τοπικά περιβάλλοντα και συνθήκες ευνοούν την ανάπτυξη βακτηρίων (εικόνα 1.4.1α) π.χ. στάσιμα νερά, παρουσία θειούχων ενώσεων κτλ. Οι περιοχές του πλοίου, στις οποίες εµφανίζεται η βακτηριακή διάβρωση συνήθως είναι οι δεξαµενές πετρελαίου, οι δεξαµενές έρµατος, οι σωληνώσεις φορτοεκφόρτωσης πετρελαίου στα Δ/Ξ κτλ. Εικόνα 1.4.1α: παράδειγμα βακτηριακής διάβρωσης Ατµοσφαιρική διάβρωση Atmospheric corrosion Ο ηλεκτρολύτης είναι υγρασία από την οµίχλη, τη δροσιά, το θαλασσινό νερό ή άλλες πηγές. Οι πιο βασικοί παράγοντες που έχουν την μεγαλύτερη επίδραση στη διαβρωτική ικανότητα της ατµόσφαιρας είναι: το χρονικό διάστηµα που οι επιφάνειες εκτίθενται στην υγρασία. το ποσοστό χλωριούχων από τη θάλασσα που φθάνει στην επιφάνεια. το ποσοστό των βιοµηχανικών ρύπων (κυρίως οξέα) που φθάνουν στις επιφάνειες. Σε όλα τα ατµοσφαιρικά περιβάλλοντα υπάρχει άφθονο οξυγόνο, κατά συνέπεια η διάβρωση των περισσότερων µετάλλων στα ατµοσφαιρικά περιβάλλοντα δεν περιορίζεται από το ποσό του παρόντος οξυγόνου και µπορεί να προχωρήσει γρήγορα υπό την παρουσία του ηλεκτρολύτη. [16]

17 Γενικά, οι λιγότερο διαβρωτικές ατµόσφαιρες βρίσκονται στις ξηρές περιοχές (ερήµους) και οι πιο διαβρωτικές περιοχές είναι οι βιοµηχανικές ή περιοχές κοντά σε ναυπηγεία. Η διαβρωτικότητα των τροπικών τοποθεσιών οφείλεται στην µεγάλης διάρκειας υγρασία και τις υψηλές θερµοκρασίες. Συνοπτικά, οι τοπικοί παράγοντες και τα χαρακτηριστικά του σχεδιασµού των κατασκευών έχουν συχνά τέτοια επιρροή στην εµφάνιση της διάβρωσης που υπερβαίνουν τους ατµοσφαιρικούς παράγοντες Χημική διάβρωση Chemical corrosion Πρόκειται για την φθορά ενός μετάλλου εξαιτίας ηλεκτροχημικής αντίδρασης με ουσίες ή μικροοργανισμούς του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκεται. Οι ουσίες αυτές μπορεί να προέρχονται από διάφορες διεργασίες ή από το εξωτερικό περιβάλλον, πχ νερό, αλάτι ή σωματίδια της ατμόσφαιρας. Το σκούριασμα (οξείδωση) του σιδήρου (εικόνα 1.4.3α) είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιας διάβρωσης. Εικόνα 1.4.3α: παράδειγμα χημικής διάβρωσης Μηχανική διάβρωση Mechanical corrosion Η διάβρωση με μηχανική καταπόνηση ή δυναμοδιάβρωση ή εργοδιάβρωση είναι ένα φαινόμενο που παρατηρείται όταν ο ανοξείδωτος χάλυβας βρίσκεται υπό μηχανική καταπόνηση σε διαβρωτικό περιβάλλον (εικόνα 1.4.4α), και συχνότερα εντός χλωριούχων διαλυμάτων. Προκαλείται εξαιτίας πρόσκρουσης κάποιου ρευστού σε αυτή, λόγω τριβής από αιωρούμενα σωματίδια, φυσαλίδες ή σταγονίδια σε ένα ρευστό που κινείται με μεγάλη ταχύτητα. Η εμφάνιση της δυναμοδιάβρωσης σχετίζεται περισσότερο με την ύπαρξη υψηλών θερμοκρασιών. Σε θερμό περιβάλλον, διαλύματα με χαμηλή περιεκτικότητα χλωριδίων και οξειδωτικών μέσων είναι σε θέση να οδηγήσουν σε διάβρωση μηχανικής καταπόνησης. Εικόνα 1.4.4α: τμήμα σωλήνα από ανοξείδωτο χάλυβα που έχει υποστεί μηχανική διάβρωση [17]

18 1.4.5 Γαλβανική ή διµεταλλική ή ηλεκτροχημική διάβρωση Galvanic or bimetallic or electrochemical corrosion Όταν δύο διαφορετικά μέταλλα βρίσκονται σε αγώγιμο περιβάλλον (εικόνα 1.4.5α), υφίστανται διαφορά δυναµικού που προκαλεί ροή ηλεκτρονίων στο σύστηµά τους (εικόνα 1.4.5β). Αυτό συνεπάγεται στην αύξηση της ταχύτητας διάβρωσης του λιγότερο ανθεκτικού µετάλλου (άνοδος) και την ελάττωση της ταχύτητας διάβρωσης του περισσότερο ανθεκτικού (κάθοδος). Η θέση και η εξέλιξη της διµεταλλικής διάβρωσης επηρεάζεται από: Φύση, διαβρωτικότητα και αγωγιµότητα του περιβάλλοντος: σε µεγάλες επιφάνειες σε επαφή µε διάλυµα υψηλής αγωγιµότητας π.χ. θάλασσα, η προσβολή µπορεί να επεκταθεί σε µεγάλη απόσταση από την επαφή και έτσι να γίνει λιγότερο επικίνδυνη, ενώ σε γλυκό νερό και σε ατµοσφαιρικές συνθήκες, η προσβολή παρουσιάζεται κοντά στις συνδέσεις και είναι πιο επικίνδυνη γιατί μπορεί να προκαλέσει µέχρι και δηµιουργία αυλακώσεων µεγάλου βάθους. Λόγος ανοδικής προς καθοδικής επιφάνειας: για παράδειγµα µια µικρή επιφάνεια ανόδου, (π.χ. αλουμίνιο), ενώνεται µε µια µεγάλη επιφάνεια καθόδου (π.χ. ανοξείδωτος χάλυβας), τότε αυτή η ένωση θα οδηγήσει σε υψηλή τιμή ρεύµατος στο αλουµίνιο, άρα υψηλό ποσοστό διάβρωσης. Αντιθέτως αν η επιφάνεια της ανόδου είναι µεγάλη έναντι αυτής της καθόδου, αυτό ελαττώνει τη διαβρωτική επίδραση. Υγρασία: αποτελεί καθοριστικό παράγοντα εµφάνισης και εξέλιξης της γαλβανικής διάβρωσης. Εικόνα 1.4.5α: παράδειγμα γαλβανικής διάβρωσης Εικόνα 1.4.5β: σχηματική απεικόνιση [18]

19 1.5 Η διάβρωση στην μεταλλική κατασκευή του πλοίου Στις επιφάνειες ενός σκάφους που βρίσκονται πάνω από την ίσαλο, ο άνεµος και οι κυµατισµοί µεταφέρουν πολύ µικρές σταγόνες θαλασσινού νερού. Οι διακυµάνσεις της υγρασίας του αέρα προξενούν την εξάτµιση του νερού ή τη συµπύκνωσή του επάνω στις µεταλλικές επιφάνειες. Αέρια της ατμόσφαιρας, όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CΟ 2), το υδρόθειο (H 2S), τo διοξείδιο του θείου (SΟ 2), το τριοξείδιο του θείου (SΟ 3) και άλλα, διαλύονται στις σταγόνες της υγρασίας και ενεργοποιούν την διαδικασία της διάβρωσης. Όπως αναφέρθηκε ήδη, η κύρια αιτία που προκαλεί την οξείδωση (σκουριά) των µετάλλων είναι η επαφή τους µε το νερό και το οξυγόνο. Εξαιτίας του νερού και των χηµικών ενώσεών του καταστρέφονται όλα τα µέρη του πλοίου, που έρχονται σε επαφή µε το νερό ή που καλύπτονται από υγρασία, εξαιτίας της συµπύκνωσης των υδρατµών που υπάρχουν στον αέρα. Επιπρόσθετοι λόγοι που προκαλούν φθορά λόγω της διάβρωσης: προϊόντα καύσης από τα ηλεκτρόδια: µπορούν να προκαλέσουν καταστροφή του επιχρίσµατος και στις δύο όψεις της συγκόλλησης πηγές σκωρίασης: δηµιουργούνται από την εφαρµογή αντιρρυπαντικού επιστρώµατος πάνω σε γυµνό µέταλλο. Τα αντιρρυπαντικά περιέχουν τοξικές ουσίες οι οποίες µπορούν, όταν έρθουν σε επαφή µε το χάλυβα, να προκαλέσουν γαλβανική διάβρωση. Επιγραμματικά, τα μέρη του πλοίου που επηρεάζονται από την διάβρωση είναι: το εξωτερικό περίβληµα (hull) τα ελάσµατα του κύριου καταστρώµατος (main deck perpendiculars) οι δεξαµενές έρµατος (ballast tanks) οι δεξαμενές πόσιµου νερού (fresh water tanks) η πρωραία και η πρυµναία δεξαµενή ζυγοστάθµισης (fore & aft peak) οι δεξαµενές φορτίου (cargo tanks) στα Δ/Ξ λόγω συχνής αλλαγής των φορτίων η έλικα (propeller) το πηδάλιο (rudder) 1.6 Μέτρα προστασίας κατά το στάδιο του σχεδιασμού Παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την διάβρωση και που θα πρέπει να λάβουμε υπόψη μας, είναι οι παράγοντες που επιδρούν στην ταχύτητα της διάβρωσης καθώς και το περιβάλλον που αυτή θα λειτουργήσει. Οι παράγοντες αυτοί θα πρέπει να αποφεύγονται όταν θέλουμε να προστατέψουμε από τη διάβρωση μία εγκατάσταση. Γενικά, θα πρέπει να αποφεύγονται ή όσο είναι δυνατόν να περιορίζονται: Γεωμετρικές μακροσκοπικές - μικροσκοπικές επιφανειακές ανωμαλίες, πλαστικές παραμορφώσεις, αταξίες δομής, εσωτερικοί μηχανισμοί τάσεων: πρέπει να αποφεύγονται, όσο είναι αυτό δυνατό, τα αιχμηρά άκρα, σε μηχανήματα και εγκαταστάσεις, δηλαδή οι γεωμετρικές ανωμαλίες λόγω συγκέντρωσης ηλεκτρικών δυναμικών γραμμών. Επίσης πρέπει να αποφεύγονται σχηματισμοί που μπορεί να κατακρατούν υγρασία. Επαφή δύο διαφορετικών μετάλλων ή κραμάτων: επιτυγχάνεται με την παρεμβολή κατάλληλου μονωτικού του ηλεκτρισμού όπως λάστιχο, πλαστικό ή βερνίκι. Επιφανειακή ανομοιογένεια: πρέπει να αποφεύγεται κάθε τοπική επιφανειακή ανομοιογένεια, που μπορεί ενδεχομένως να οφείλεται σε σκόνη, ιζήματα κτλ. Ελαστικές παραμορφώσεις: σε περίπτωση που τμήμα μηχανής κινείται θα πρέπει, με κατάλληλο σχεδιασμό, να ελαττωθούν όσο γίνεται οι ελαστικές παραμορφώσεις. Περιπατητικά ρεύματα: πρέπει να αποφεύγονται διαφυγές ηλεκτρικών ρευμάτων και για την καταπολέμηση τους, τα μηχανήματα και οι εγκαταστάσεις, πρέπει να γειώνονται σωστά. Υψηλές θερμοκρασίες: πρέπει να αποφεύγονται, διότι με αύξηση της θερμοκρασίας έχουμε αντίστοιχη επιτάχυνση της διάβρωσης. Διόγκωση: αντιμετωπίζεται με παρεμβολή κάποιου υλικού που μπορεί να ρηγματωθεί, ώστε να περιορίσει τις μηχανικές τάσεις που αναπτύσσονται. [19]

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο 2.1 Εισαγωγή στις μεθόδους αντιδιαβρωτικής προστασίας Βασικός σκοπός του κάθε συστήματος προστασίας είναι να περιορίζει μειώνει την επίδραση της διάβρωσης επάνω στο μέταλλο. Ανάλογα την κατηγορία διαβρωτικού περιβάλλοντος που έχουμε να αντιμετωπίσουμε, επιλέγουμε την αντίστοιχη μέθοδο προστασίας. Βασικοί παράγοντες για την επιλογή του συστήματος αντιδιαβρωτικής προστασίας είναι οι παρακάτω: Είδος του διαβρωτικού περιβάλλοντος Απαιτήσεις του προστατευόμενου υλικού Προβλεπόμενη διάρκεια ζωής Κόστος λειτουργίας και εγκατάστασης Τα συστήματα προστασίας, ανάλογα τον τρόπο που επιδρούν στο υλικό, ομαδοποιούνται σε 4 μεγάλες κατηγορίες: Επέμβασης στο ίδιο υλικό (πχ κραματοποίηση) Επέμβασης στο ίδιο το σύστημα (πχ καθοδική προστασία) Επέμβασης στο διαβρωτικό περιβάλλον (πχ προσθήκη ουσιών που επιβραδύνουν την διάβρωση) Επέμβασης στην επιφάνεια του υλικού (πχ υφαλοχρώματα) Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνονται επιγραμματικά οι τρόποι προστασίας για κάθε κατηγορία: [20]

21 2.2 Καθοδική προστασία - Ορισμός Καθοδική προστασία είναι η μέθοδος αποφυγής της ηλεκτρόλυσης. Αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε με χρήση θυσιαζόμενων ανοδίων είτε με επιβολή εξωτερικής τάσης (σύστημα ICCP). Ο ρυθμός της ανοδικής και της καθοδικής δράσεως αλλάζει όταν αντίστοιχα, προσθέτουμε ή αφαιρούμε ηλεκτρόνια από το προστατευόμενο μέταλλο. Δηλαδή, εάν μια μεταλλική επιφάνεια όπως είναι η γάστρα ενός πλοίου, δεχθεί ηλεκτρόνια από μια εξωτερική πηγή, τότε η δράση της οξειδωτικής αντίδρασης (άνοδος) επάνω στο μέταλλο θα μειωθεί ενώ αντίστοιχα η καθοδική δράση θα αυξηθεί. Σαν αποτέλεσμα, έχουμε μείωση της διάβρωσης στην επιφάνεια. Πιο συγκεκριμένα, η καθοδική προστασία αποσκοπεί ώστε το μέταλλο να φορτιστεί αρνητικά, ώστε να έχει την προδιάθεση να υποστεί αναγωγή* και όχι οξείδωση. Αυτό μπορεί να παρουσιαστεί γραφικά με τις καμπύλες πολώσεως** (εικόνα 2.1α). Όταν η καθοδική και η ανοδική δράση βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας, το δυναμικό και το ρεύμα έχουν αντίστοιχα τις τιμές E corr (δυναμικό διαβρώσεως) και Ι corr (ρεύμα διαβρώσεως). Αν το δυναμικό του μετάλλου μειωθεί από E corr σε E p (δυναμικό προστασίας), τότε η λογαριθμική τιμή του ρεύματος ανόδου θα είναι μηδέν, άρα θα έχουμε επιτύχει καθοδική προστασία. *αναγωγή: ένωση ενός στοιχείου με το υδρογόνο ή αφαίρεση του οξυγόνου **πόλωση: μεταβολή του δυναμικού ενός ηλεκτροδίου ως αποτέλεσμα της ροής ρεύματος σε αυτό Εικόνα 2.1α: γραφική παράσταση καμπύλων πολώσεως [21]

22 2.3 Μέθοδοι καθοδικής προστασίας Θυσιαζόμενα ανόδια Sacrificial anodes Δραστικά μέταλλα τοποθετούνται μέσα στο διαβρωτικό περιβάλλον, τα οποία είναι κατασκευασμένα από ανοδικότερα μέταλλα απ ότι είναι η κατασκευή την οποία προστατεύουν. Τα κυριότερα δραστικά μέταλλα, τα οποία χρησιμοποιούνται ως ανόδια στα πλοία, είναι ο ψευδάργυρος και το αλουμίνιο. Η σύνδεση δύο ανόμοιων μετάλλων έχει ως αποτέλεσμα την επιταχυνόμενη διάβρωση του περισσότερου ενεργού μετάλλου και την προστασία του λιγότερου ενεργού. Επειδή τα ανόδια είναι πιο ηλεκτροαρνητικά από το μέταλλο κατασκευής, προκαλούν την ροή ρεύματος προς την κατασκευή, μετατρέποντάς την σε κάθοδο (εικόνα 2.3.1β). Τα ανόδια θυσιάζονται αποβάλλοντας την μάζα τους (εικόνα 2.3.1α) σε μορφή ιόντων, άρα απελευθερώνουν ηλεκτρόνια τα οποία αφού υποστούν αναγωγή, μετατρέπονται σε άνοδο και διαβρώνονται ενώ το μέταλλο κατασκευής απορροφά ηλεκτρόνια και μετατρέπεται σε κάθοδο. Η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται στα μεταλλικά μέρη των πλοίων τα οποία βρίσκονται σε διαρκή επαφή με θαλασσινό νερό, όπως π.χ. σωληνώσεις απ' τις οποίες περνάει θαλασσινό νερό. Εικόνα 2.3.1α: ανόδια αλουμινίου (πριν & μετά) [22]

23 Εικόνα 2.3.1β: σχηματική αναπαράσταση εφαρμογής θυσιαζόμενων ανοδίων Σύστημα επιβολής εξωτερικής τάσης Impressed cathodic current protection system (ICCP) Με αυτή την μέθοδο προστασίας επιβάλλεται, στα μέταλλα τα οποία υπόκεινται ηλεκτρόλυση, ρεύμα με τροφοδοσία από εξωτερική πηγή ενέργειας. Η διαφορά δυναμικού μεταξύ γάστρας και ηλεκτρολύτη προκύπτει από ειδικούς ανιχνευτές (ηλεκτρόδια αναφοράς reference cells), οι οποίοι διεγείρουν αντίστοιχα την μονάδα ελέγχου. Η μετρούμενη τιμή συγκρίνεται στην μονάδα ελέγχου με την προκαθορισμένη, επιθυμητή τιμή που έχει οριστεί από τον κατασκευαστή. Για οποιαδήποτε απόκλιση, η κεντρική μονάδα ελέγχου διοχετεύει ρεύμα στο σύστημα, ώστε να επαναφέρει ξανά την επιθυμητή τιμή. Το ρεύμα αυτό προέρχεται από το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας του πλοίου, αφού έχει πρώτα υποβιβαστεί σε χαμηλή τάση και μετασχηματιστεί από εναλλασσόμενο (AC) σε συνεχές (DC). Ένα επίσης σημαντικό εξάρτημα του συστήματος είναι οι ανορθωτές, οι οποίοι λειτουργούν σαν ανεπίστροφα ασφαλιστικά, επιτρέποντας την διέλευση του ρεύματος από την μονάδα ελέγχου προς τα ανόδια και όχι αντίστροφα, προστατεύοντάς την έτσι από την πιθανότητα βραχυκυκλώματος. Ο αρνητικός πόλος πηγής συνεχούς ρεύματος συνδέεται εξωτερικά με τη βοήθεια αγωγών με την γάστρα του πλοίου και ο θετικός πόλος με αδρανή ανόδια, τα οποία βρίσκονται εντός του ηλεκτρολυτικού (διαβρωτικού) περιβάλλοντος. Τα ηλεκτρόνια του αρνητικού πόλου μεταφέρονται προς την γάστρα του πλοίου, προστατεύοντάς την έτσι από διάβρωση. Οι άνοδοι σε αυτό το σύστημα είναι συνήθως από γραφίτη ή επιλευκοχρυσωμένο τιτάνιο. [23]

24 Εικόνα 2.2.2α: Xαρακτηριστικά βασικών ανοδίων που χρησιμοποιούνται σε συστήματα ICCP Εικόνα 2.2.2β: σχηματική αναπαράσταση του συστήματος επιβολής εξωτερικής τάσης [24]

25 2.4 Βασικά μέρη του συστήματος επιβολής εξωτερικής τάσης πίνακας απομακρυσμένου ελέγχου (remote monitoring panel): συνήθως βρίσκεται σε κάποιο ευκόλως προσβάσιμο σημείο, π.χ. δωμάτιο ελέγχου μηχανοστασίου, ώστε να μπορούμε αμέσως να δούμε τις τιμές που δίνει στο σύστημα ανά πάσα στιγμή η μονάδα ελέγχου αυτόματη μονάδα ελέγχου (automatic control panel): τροφοδοτεί το σύστημα με ρεύμα και ανάλογα τα σήματα που δέχεται, ανεβάζει ή κατεβάζει την ένταση, διατηρώντας πάντα την επιθυμητή τιμή ηλεκτρόδια αναφοράς (reference cells): διαβάζει διαρκώς την τιμή του ηλεκτρικού δυναμικού που δέχεται η γάστρα του πλοίου και στέλνει σήμα στην μονάδα ελέγχου ανόδια (anodes): δέχονται το ρεύμα που στέλνει η μονάδα ελέγχου ώστε να δημιουργήσουν την απαραίτητη καθοδική προστασίας της γάστρας ενάντια στην ηλεκτρολυτική διάβρωση Εικόνα 2.4α: κύρια μέρη συστήματος ICCP [25]

26 Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται μια τυπική διάταξη του συστήματος. Εικόνα 2.4β: τυπική διάταξη συστήματος ICCP Το σύστημα υπάρχει πάντα εις διπλούν, δηλαδή μια εγκατάσταση για το πρωραίο τμήμα του πλοίου (aft iccp unit) και άλλη μια για το πρυμναίο (forward iccp unit). Το πρωραίο σύστημα είναι εφοδιασμένο με σημειακά (κυκλικά) ανόδια, ενώ το πρυμναίο με γραμμικά (ορθογώνια). Η διαφορά στην μορφή των ανοδίων αφορά την περιοχή που καλύπτουν και των ρευμάτων προστασίας που δημιουργούν ενώ το πλοίο κινείται, καθώς το πρωραίο σύστημα, εκτός από την γάστρα, παρέχει προστασία στο πηδάλιο και την προπέλα (εικόνα 2.4γ). Τα γραμμικά ανόδια κατασκευάζονται επί το πλείστον από κράματα μολύβδου και αργύρου ενώ τα σημειακά από κράματα τιτανίου, επιστρωμένα με πλατίνα. Σημαντικό επίσης, ώστε να μην καταστρέφεται η επίστρωση λόγω της ηλεκτρικής φόρτισης των ανοδίων, είναι η σωστή μόνωσή τους. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διηλεκτρική ασπίδα και συνήθως επιτυγχάνεται χρήση με υαλοβάμβακα, εποξεική ρητίνη ή ειδικής κατηγορίας πλαστικό. [26]

27 Εικόνα 2.4γ: σχηματική αναπαράσταση των δινών προστασίας Εικόνα 2.4δ: διαφορές στην γάστρα του πλοίου χωρίς και με χρήση συστήματος επιβολής εξωτερικής τάσης [27]

28 2.5 Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα & μειονεκτήματα ICCP Η μέθοδος επιβολής εξωτερικής τάσεως είναι αποδοτικότερη και μπορεί να εφαρμοστεί σε μεγάλης έκτασης εγκαταστάσεις, απαιτεί μικρότερο αριθμό και μέγεθος ανοδίων, ενώ το δυναμικό μπορεί να προσαρμοστεί ανάλογα τις συνθήκες. Σαν βασικό μειονέκτημα μπορούμε να αναφέρουμε ότι απαιτείται ακριβής έλεγχος σχεδίασης του συστήματος από το στάδιο ναυπηγήσεως του πλοίου. Αυτό συνεπάγεται με υψηλότερο κόστος κατασκευής και εγκατάστασης Πλεονεκτήματα χρήσης μεθόδου θυσιαζόμενων ανοδίων χαμηλό κόστος απλή και εύκολη αντικατάσταση απλή και εύκολη λειτουργία χαμηλό κόστος λειτουργίας, επίβλεψης και συντήρησης μεγάλη διάρκεια ζωής αφαίρεση του οξυγόνου και άλλων διαβρωτικών συστατικών του νερού σχετικά μεγάλο ποσοστό επιτυχίας (γύρω στο 80% με 90%) εύκολη εφαρμογή σε πολλά σημεία ενός μεγάλου και περίπλοκου δικτύου φιλική μέθοδος προς το περιβάλλον δεν δημιουργούνται ενοχλητικά αέρια μέσα στο νερό δεν περιέχει στοιχεία που θέτουν σε κίνδυνο την υγεία των συντηρητών Μειονεκτήματα χρήσης μεθόδου θυσιαζόμενων ανοδίων απαιτεί πολλαπλή εφαρμογή ανοδίων λόγω της μικρής εμβέλειας προστασίας αφήνει κατάλοιπα υλών από τις θυσιαζόμενες ανόδους, τα οποία διέρχονται μέσα από τις σωληνώσεις και ενδέχεται να προξενήσουν βλάβες στα παρεμβαλλόμενα εξαρτήματα τα κατάλοιπα των ανοδίων αποτελούν πηγή ρύπανσης, οπότε είναι ακατάλληλο για δίκτυα πόσιμου νερού η ένταση της απόδοσης δεν είναι σταθερή και φθίνει όσο φθείρονται τα ανόδια ο εμβαπτισμός των ανοδίων δεν γίνεται να εφαρμοστεί πάντα και παντού, με αποτέλεσμα πολλά σημεία της εγκατάστασης να μένουν απροστάτευτα [28]

29 2.6 Σύγκριση των δύο μεθόδων προστασίας Περιβάλλον Θυσιαζόμενα Ανόδια Μη πρακτική εφαρμογή, εκτός αν εφαρμόζονται σε περιβάλλον χαμηλής αντίστασης Σύστημα ICCP Δεν επηρεάζεται από την ειδική αντίσταση του περιβάλλοντος Εγκατάσταση Πηγή ρεύματος Χρησιμότητα Ανόδια Έλεγχος Συντήρηση Απλή και εύκολη εγκατάσταση Είναι αδύνατον να συνδεθεί με λάθος τρόπο - διαθέτει ανεξάρτητη πηγή ρεύματος Η εφαρμογή τους περιορίζεται σε επιφάνειες που προστατεύονται ήδη από επικαλυπτικά ή όπου απαιτείται τοπική προστασία Απαιτείται μεγάλος αριθμός ανοδίων, άρα γίνεται αντικατάσταση σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα Το ρεύμα προστασίας είναι προκαθορισμένο με επιλογή σωστού υλικού δεν θα καταστραφεί το επίστρωμα Χρειάζεται μόνο περιοδική αντικατάσταση των ανοδίων Απαιτεί προσεκτικό σχεδιασμό Χρειάζεται προσοχή κατά την σύνδεση απαιτείται εξωτερική πηγή τροφοδοσίας Εφαρμόζεται σε μεγάλες κατασκευές, χωρίς να είναι απαραίτητη η χρήση επικαλυπτικών Απαιτούνται λιγότερα ανόδια και πιο σπάνια αντικατάσταση Το ρεύμα προστασίας ρυθμίζεται αυτόματα σε περίπτωση βλάβης μπορεί να καταστραφεί το επίστρωμα Μεγάλη διάρκεια ζωής απαιτείται συνεχής έλεγχος των εξαρτημάτων 2.7 Συσκευή γείωσης ελικοφόρου άξονα Shaft earthing device Ένα ακόμη σημαντικό μέρος του συστήματος επιβολής εξωτερικής τάσης είναι η συσκευή γείωσης του ελικοφόρου άξονα της μηχανής, η οποία παραλαμβάνει και μεταβιβάζει τα ηλεκτρικά φορτία που δημιουργούνται από την περιστροφή του, ώστε να μην προκαλείται διάβρωση στους τριβείς. Ο περιστρεφόμενος ελικοφόρος άξονας του πλοίου μονώνεται ηλεκτρικά από την γάστρα από το φιλμ του λιπαντικού λαδιού που χρησιμοποιείται στους τριβείς, καθώς και λόγω του ότι οι τριβείς κατασκευάζονται από μέταλλα με μικρή αγωγιμότητα στον ηλεκτρισμό. [29]

30 Όταν ο άξονας μονώνεται με αυτόν τον τρόπο, δημιουργείται ηλεκτρικό φορτίο μεταξύ του άξονα και του σκαριού του πλοίου, το οποίο συμβάλλει στην επιτάχυνση της διάβρωσης. Στην περίπτωση που το πλοίο διαθέτει σύστημα καθοδικής προστασίας, η μόνωση αυτή που διαθέτει ο άξονας θα εμποδίσει την προπέλα από το να λάβει την σωστή προστασία από διάβρωση. Το ηλεκτρικό δυναμικό μεταξύ του άξονα και του κύτους μπορεί επίσης να οδηγήσει στην ροή μεγάλου ηλεκτρικού φορτίου στους τριβείς, σε περίπτωση που το λιπαντικό φιλμ σπάσει ή αναμιχθεί με νερό. Αυτό μπορεί να οδηγήσει από διάβρωση βελονισμών έως έντονη διάβρωση με απώλεια υλικού στις επιφάνειες των τριβέων. Όλα τα παραπάνω μπορούν να αποφευχθούν και η καθοδική προστασία της γάστρας να επεκταθεί πλήρως και επιτυχώς έως την προπέλα, με την χρήση δακτυλίων ολίσθησης (slip rings), τα οποία τοποθετούνται επάνω στον άξονα. Η αποτελεσματικότητα του συστήματος γείωσης του ελικοφόρου άξονα διασφαλίζει μέγιστη αντίσταση έως 0.1 Ω. Επάνω στα slip rings βρίσκονται τοποθετημένες ψήκτρες (εικόνα 2.7α). Πρόκειται για διατάξεις που έχουν ως σκοπό την γείωση του άξονα με την γάστρα (εικόνα 2.7β). Επίσης το σύστημα είναι εφοδιασμένο με μια μονάδα παρακολούθησης (monitor panel), η οποία μετράει συνεχώς το ρεύμα που παράγεται κατά την περιστροφή του άξονα. Σε περίπτωση που υπερβεί κάποιο προκαθορισμένο όριο (~3 έως 5 mv), έρχεται ειδοποίηση μέσω alarm στην κονσόλα του δωματίου ελέγχου μηχανοστασίου. Αντίστοιχο σύστημα υπάρχει και για την γείωση του πηδαλίου με την γάστρα. Εικόνα 2.7α: ψήκτρες & δακτύλιοι άξονα [30]

31 Εικόνα 2.7β: θέση της συσκευής στο σύστημα & σχηματική αναπαράσταση των slip rings [31]

32 2.8 Παρατηρήσεις σχετικά με την διάταξη ενός τυπικού συστήματος ICCP Για πλοία άνω των 200m, απαιτούνται δύο σημειακά ανόδια για το πρωραίο τμήμα, δύο γραμμικά για το πρυμναίο, τέσσερα ηλεκτρόδια αναφοράς και δύο μονάδες παροχής ρεύματος, μία για το πρωραίο και μία για το πρυμναίο σύστημα. Η τιμή και το πεδίο λειτουργίας είναι ρυθμιζόμενα, άρα δεν απαιτείται ελάχιστη η τήρηση κάποιας ελάχιστης απόστασης μεταξύ τους. Σε πλοία άνω των 150m, η απόσταση των γραμμικών ανόδων από την προπέλα πρέπει να τουλάχιστον 15m ενώ σε μικρότερα πλοία τουλάχιστον 5m. Τα ηλεκτρόδια αναφοράς πρέπει να τοποθετούνται σε σημεία όπου σύμφωνα με τις μελέτες του ναυπηγείου κατά την κατασκευή, προβλέπεται ότι θα υπάρξει η χαμηλότερη πτώση δυναμικού, επιτυγχάνοντας έτσι την μέγιστη προστασία. Σε πλοία με μήκος μεγαλύτερο των 200m, τα ηλεκτρόδια αναφοράς πρέπει να απέχουν από τις ανόδους τουλάχιστον 15m, ενώ σε μικρότερα πλοία αντίστοιχα. Η σωστή λειτουργία του συστήματος επιτυγχάνεται πλήρως μόνο αν ο άξονας και το πηδάλιο γειώνονται σωστά με την γάστρα. Σε δεξαμενόπλοια απαγορεύεται η εγκατάσταση καλωδίων του συστήματος κοντά ή μέσα στις δεξαμενές φορτίου, ακόμη κι αν αυτά είναι εγκεκριμένου τύπου ασφαλείας. [32]

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο 3.1 Θαλάσσια επικαλυπτικά (υφαλοχρώματα) Hull paints Μία σημαντική διαδικασία, χωρίς την οποία τα θυσιαζόμενα ανόδια και η μέθοδος επιβολής εξωτερικής τάσης θα αποτύγχανε ή τουλάχιστον δε θα ήταν αποδοτική σε τέτοιο βαθμό, είναι η χρήση διαφόρων επικαλυπτικών (βαφές) στις μεταλλικές επιφάνειες του πλοίου. Η βαφή των ελασμάτων ξεκινά ήδη από το στάδιο της ναυπηγήσεως του πλοίου. Κάθε κομμάτι λαμαρίνας πρώτα πρέπει να βαφτεί με ειδικό αστάρι, πριν υποστεί οποιαδήποτε άλλη επεξεργασία. Αφού στεγνώσει το στρώμα του επικαλυπτικού, θα ενωθεί με τα υπόλοιπα κομμάτια ώστε να σχηματίσουν τελικά ένα από τα μπλοκ που αποτελείται το πλοίο. Στη συνέχεια, και αφού τα μπλοκ είναι πλέον ενωμένα και έχει συγκροτηθεί το σκαρί, οι λαμαρίνες θα ξαναβαφτούν με μία ακόμη σειρά από ειδικά επικαλυπτικά. Η απόδοση των επικαλυπτικών αυτών επηρεάζεται από τους εξής παράγοντες: ποσοστό αλάτων: όσο μεγαλύτερη τόσο πιο γρήγορα θα παρατηρηθεί αποκόλληση της μπογιάς από την μεταλλική επιφάνεια. θερμοκρασία: επηρεάζει τον ρυθμό διάλυσης της μπογιάς. Εικόνα 3.1α: εφαρμογή υφαλοχρώματος κατά την διάρκεια δεξαμενισμού [33]

34 Τα υφαλόχρωματα, δεδομένου ότι βρίσκονται διαρκώς μέσα σε διαβρωτικό περιβάλλον, πρέπει να έχουν κάποια συγκεκριμένα χαρακτηριστικά όπως: Υψηλή αντοχή σε διάβρωση Ευχέρεια εφαρμογής Αντοχή σε τριβές Ταχύ χρόνο στεγνώματος Χαμηλή διαπερατότητα από υγρασία Χαμηλό κόστος Δυνατότητα εφαρμογής σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών Όριο αναφλεκτικότητας άνω των 40 βαθμών Κελσίου Φιλικά προς το περιβάλλον Στην παράγραφο 1.6 αναφέραμε κάποια μέτρα που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το στάδιο του σχεδιασμού για πρόληψη και αποφυγή της διάβρωσης. Πιο συγκεκριμένα, όσον αφορά την σωστή και επιτυχημένη χρήση των επικαλυπτικών, πρέπει κατά την ναυπήγηση να τηρούνται οι εξής κανόνες: Να είναι εύκολη η πρόσβαση στις περιοχές που απαιτούν συχνό βάψιμο, για την μελλοντική τους συντήρηση. Κατάλληλη στεγανοποίηση και εξαερισμός εντός των δεξαμενών, για αποφυγή συγκέντρωσης υγρασίας. Οι δεξαμενές να είναι κατάλληλα σχεδιασμένες ώστε να υπάρχει απορροή λόγω βαρύτητας και να είναι εφικτός ο καθαρισμός. Προσεκτική επιλογή υλικών που συνδέονται, ώστε να έχουν παρόμοιες ιδιότητες για να μην δημιουργηθεί γαλβανική διάβρωση. Εύκολη αλλαγή αντικατάσταση των στοιχείων που προβλέπεται ότι θα φθαρούν ή θα αστοχήσουν. Κατάλληλη προετοιμασία της επιφάνειας πριν την εφαρμογή οποιουδήποτε επικαλυπτικού. Σωστή επιλογή ελασμάτων (πάχος, ιδιότητες κτλ) βάσει των απαιτούμενων προδιαγραφών και των οικονομικών παραγόντων που έχουν συμφωνηθεί. 3.2 Κατηγορίες υφαλοχρωμάτων Τα θαλάσσια επικαλυπτικά χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τα αντιδιαβρωτικά και τα αντιρρυπαντικά χρώματα. Βασικός παράγοντας της εξέλιξής τους τα τελευταία χρόνια είναι η συμμόρφωσή τους με νόμους και κανόνες που αφορούν την προστασία του περιβάλλοντος και της ανθρώπινης υγείας. Κατά το πρώτο στάδιο βαφής, απαιτείται η εφαρμογή του αντιδιαβρωτικού χρώματος. Αυτό γίνεται έτσι ώστε να προστατεύεται η επιφάνεια (η οποία συνήθως πρόκειται για χάλυβα) τόσο από τους διάφορους διαβρωτικούς παράγοντες του περιβάλλοντος όσο και από ορισμένα στοιχεία που περιέχονται στην αντιρρυπαντική μπογιά, τα οποία μπορεί αυτά καθ αυτά να προξενήσουν ζημιά στην λαμαρίνα ή να επιταχύνουν το φαινόμενο της διάβρωσης. [34]

35 3.2.1 Αντιδιαβρωτικά επικαλυπτικά Anticorrosion paints Αποτελούν τον πλέον συνηθισμένο τρόπο προστασίας των μεταλλικών επιφανειών ενός πλοίου. Αποτελούνται από ένα μείγμα διαφόρων ουσιών, καθεμία με διαφορετικές ιδιότητες, οι οποίες σε συνδυασμό δημιουργούν ένα κατάλληλο επικαλυπτικό το οποίο όταν εφαρμόζεται επάνω σε μια επιφάνεια και στεγνώσει, σκληραίνει δημιουργώντας ένα ομοιόμορφο προστατευτικό στρώμα. Βασικές ιδιότητες που πρέπει να παρουσιάζουν τα αντιδιαβρωτικά υφαλοχρώματα είναι οι εξής: Αντοχή σε καιρικές συνθήκες Συνοχή με την μεταλλική επιφάνεια Σκληρότητα Καλή αισθητική Αντοχή σε προσβολή από μικροοργανισμούς Τα κύρια κριτήρια επιλογής του κατάλληλου αντιδιαβρωτικού είναι: Συνθήκες του περιβάλλοντος Επιθυμητή διάρκεια ζωής Κόστος εφαρμογής συντήρησης αντικατάστασης Ασφάλεια, δηλαδή κατά πόσο αποτελεί κίνδυνο για το περιβάλλον και την υγεία των εργαζομένων Αντιρρυπαντικά επικαλυπτικά Antifouling paints Ως ρύπανση θαλάσσιων κατασκευών, όπως εξέδρων, πλοίων κτλ, ορίζεται η εγκατάσταση και ανάπτυξη μικροοργανισμών στα μέρη τα οποί βρίσκονται συνεχώς βυθισμένα μέσα στο νερό. Εκτός του προβλήματος της διάβρωσης, εδώ εγκυμονεί ένας ακόμη σημαντικός κίνδυνος. Η υπερβολική ανάπτυξη τέτοιων μικροοργανισμών επάνω π.χ. στην γάστρα ενός πλοίου, οδηγεί σε αύξηση των τριβών και μείωση της απόδοσής τους, δηλαδή της ταχύτητας. Αυτό συνεπάγεται με αυξημένη κατανάλωση καυσίμων και κόστος λειτουργίας. Το φαινόμενο της ρύπανσης (fouling) διακρίνεται σε δύο κατηγορίες: Macrofouling (μακροσκοπική): ρύπανση προσβολή από φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς Microfouling (μικροσκοπική): ρύπανση προσβολή από μικροοργανισμούς, όπως βακτήρια και μύκητες Σκοπός των επικαλυπτικών είναι η εξόντωση αυτών των οργανισμών. Όπως ήδη αναφέραμε, πλέον έχουν τεθεί σε ισχύ διάφοροι κανόνες που αφορούν την προστασία περιβάλλοντος και ανθρώπινης υγείας. Γι αυτό, οι αντιρρυπαντικές βαφές που χρησιμοποιούνται σήμερα χρησιμοποιούν πράσινα βιοκτόνα και διακρίνονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: [35]

36 CDP: αποτελείται από ευδιάλυτο στο νερό φορέα που ξηραίνεται φυσικά, συνδυάζεται με πολυμερικά συστατικά και διαρκεί έως και τρία χρόνια. SPC: ακρυλικές βαφές με διάρκεια ζωής έως και πέντε χρόνια. HP: υβριδικές βαφές που βασίζονται σε ταυτόχρονη δράση διαφορετικών μηχανισμών καταπολέμησης των μικροοργανισμών, οι οποίες έχουν την ικανότητα να εξελίσσονται διαρκώς. 3.3 Χαρακτηριστικά ιδανικών επικαλύψεων Κάθε σωστά εφαρμοσμένη επικάλυψη υφαλοχρώματος πρέπει να παρουσιάζει τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Πάχος: όσο μεγαλύτερο είναι το πάχος, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντοχή και η παρεχόμενη προστασία. Πρόσφυση: όσο καλύτερη η συνοχή με την μεταλλική επιφάνεια τόσο μεγαλύτερη η αντοχή στην αποφλοίωση. Σκληρότητα: τα επιστρώματα πρέπει είναι σκληρά γιατί διαφορετικά υπάρχει κίνδυνος τραυματισμού και αποφλοίωσης. Πορώδες: η έλλειψη πόρων εμποδίζει την άμεση επαφή του διαβρωτικού περιβάλλοντος με το μεταλλικό υπόστρωμα. Συνοχή: ως ελάχιστο επιτρεπόμενο όριο λαμβάνεται η τιμή της δύναμης όπου εμφανίστηκαν οι πρώτες ρηγματώσεις. Χημική αντοχή: το επίστρωμα πρέπει να αντέχει σε προσβολή από χημικά χωρίς να διαλύεται ή να παρουσιάζει ρηγματώσεις. Αντίσταση στο νερό: συνεχής έκθεση στο νερό δεν πρέπει να δημιουργεί ρηγματώσεις ή να μειώνει την αντοχή του. Χαμηλή απορρόφηση υγρασίας: η απορρόφηση της υγρασίας συμβάλλει στην ανάπτυξη και επιτάχυνση της διάβρωσης. Ρυθμός μεταφοράς υγρασίας: είναι ο ρυθμός με τον οποίο το νερό περνά μέσα από το στρώμα της επικάλυψης. Πυκνότητα του στρώματος: μετριέται με ζύγιση μέρους αυτού, όσο μεγαλύτερη η πυκνότητα τόσο πιο ανθεκτικό το στρώμα της βαφής. Οπτικές ιδιότητες: αφορά το χρώμα, την ανακλαστικότητα και γενικά την εξωτερική εμφάνιση της επίστρωσης. [36]

37 ΕΠΙΛΟΓΟΣ Συμπερασματικά, μπορούμε να πούμε τα εξής: Οι μεταλλικές επιφάνειες που εκτίθενται διαρκώς σε έντονες περιβαλλοντικές συνθήκες τείνουν να φθείρονται σταδιακά, με αποτέλεσμα να χάνουν την αντοχή τους και εν τέλει, να καταστρέφονται. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι και η γάστρα ενός πλοίου που βρίσκεται διαρκώς μέσα σε θαλασσινό νερό, το οποίο έχει τεράστια διαβρωτική επίδραση επάνω στην λαμαρίνα. Οι παράγοντες που προκαλούν το φαινόμενο της διάβρωσης, όπως ήδη αναφέραμε, μπορεί να είναι κάθε είδους, από βιολογικοί εξαιτίας μικροοργανισμών έως απλής ηλεκτρόλυσης που προκαλούν τα άλατα του θαλασσινού νερού. Βασικό μέλημα κάθε ναυτιλιακής εταιρείας είναι η εξοικονόμηση χρημάτων. Η φθορά των μεταλλικών επιφανειών του πλοίου συνεπάγεται με μείωση του χρόνου ζωής του και πιο συχνή συντήρηση, παράγοντες που μειώνουν το κέρδος μιας εταιρείας. Με σκοπό την μείωση της συχνότητας και του κόστους συντήρησης, έχουν επικρατήσει τα συστήματα καθοδικής προστασίας ώστε να ενισχυθεί η αντοχή των μετάλλων στην διάβρωση και να παραταθεί η διάρκεια ζωής τους. Τόσο η μέθοδος των θυσιαζόμενων ανόδων, όσο και το σύστημα ICCP και οι αντιδιαβρωτικές μπογιές, είναι ζωτικής σημασίας για την μακροχρόνια διατήρηση του πλοίου σε καλή κατάσταση. Πρόκειται για μεθόδους που χρειάζονται περιστασιακές συντηρήσεις, ελέγχους και ανανέωση ενώ ταυτόχρονα συντελούν στην μακρόχρονη προστασία εξοπλισμού πολύ μεγαλύτερου κόστους. Όπως έγινε ήδη αναφορά και οι δύο μέθοδοι έχουν αντίστοιχα κάποια μειονεκτήματα, ωστόσο σε συνδυασμό με την χρήση υφαλοχρωμάτων, εξακολουθούν να αποτελούν τις πιο αποτελεσματικές και οικονομικές λύσεις για προστασία από διάβρωση. [37]

38 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Γενική Βιβλιογραφία Stein K. & Μακρής Π. Ανάλυση μηχανολογικών καταστροφών (1993) Σπυρέλλης Ν. Τεχνολογία επιμεταλλώσεων (1992) Υφαντής Δ. 1 ο Συμπόσιο Χρωμάτων (1987) Δαγκίνης Ι. & Γλύκας Α. Βοηθητικά Μηχανήματα Πλοίων (2015) Τ.Ε.Ι. Αθήνας Τμήμα Ναυπηγών Μηχανικών (σημειώσεις) Ιστότοποι [38]