ICCP katodisk beskyttelse til broer

Broer udsættes for det naturlige miljø i længere perioder og står over for alvorlige korrosionstrusler - salttåge og kloridioner fra havmiljøet, afisningsmidler, syre- og alkaliforurenende stoffer samt ilt og fugt fra atmosfæren. Katodisk beskyttelse er bredt anerkendt som en af ​​de mest effektive metoder til at hæmme korrosion af metalkonstruktioner og er opdelt i to hovedkategorier: offeranodebeskyttelse og påtrykt strømbeskyttelse (ICCP). Blandt disse er katodisk beskyttelse mod påtrykt strøm (ICCP) Systemet regulerer aktivt strømudgangen via en ekstern strømkilde, hvilket tilbyder betydelige fordele såsom et bredt beskyttelsesområde, justerbar strømintensitet, tilpasningsevne til komplekse miljøer og en lang levetid (op til 50 år eller mere). Det er blevet den foretrukne korrosionsbeskyttelsesløsning til broer over havet, store bybroer og kystbroer.

I broen ICCP-systemer, skal hjælpeanoder opfylde krav såsom lavt forbrug, høj ledningsevne, modstandsdygtighed over for barske miljøer (f.eks. høj alkali, høj saltindhold, skiftende våde og tørre forhold), mekanisk styrkekompatibilitet og stærk kompatibilitet med brostrukturen. Anoder er hovedsageligt opdelt i følgende fire kategorier:

(I) Anoder til blandede metaloxider (MMO)

Blandede metaloxidanoder er i øjeblikket den mest anvendte anodetype i bro-ICCP-systemer. Deres kernestruktur består af et titansubstrat belagt med ædelmetaloxider såsom iridium, tantal og rhodium, hvilket giver betydelige fordele i form af høj ledningsevne, stærk korrosionsbestandighed og lang levetid.

MMO-anoder udviser enestående nøgleparametre for ydeevne: driftsstrømtætheden kan nå op på 100 A/m², hvilket langt overstiger traditionelle anodematerialers; forbrugsraten er ekstremt lav i miljøer som beton, havvand og saltholdig jord; og den designmæssige levetid overstiger typisk 30 år. Dette stemmer nøje overens med broens designmæssige levetid.

Netanoder: Ved at anvende MMO-belagt titaniumnet kan disse lægges over store områder på brodæk, indervægge i kassebjælker osv. Dens ensartede strømafgivelse overvinder effektivt den strømafskærmningseffekt, der forårsages af tæt armering, hvilket gør dem særligt velegnede til generel beskyttelse af store armerede betonkonstruktioner.

Stavformede anoder: Typisk 10-20 mm i diameter og 1-3 m i længden. De kan indlejres i forudbestemte betonriller eller bores ind i konstruktionen. De beskytter specifikt kritiske bærende komponenter såsom bropæle og pælefundamenter.

Rørformede/lineære anoder: De har god fleksibilitet og kan lægges langs brokomponenternes konturer, hvilket er velegnet til strukturer med kompleks krumning (såsom brotårne ​​og bueribber).

Den primære fordel ved MMO-anoder ligger i deres ekstremt stærke miljømæssige tilpasningsevne. De opretholder stabil ydeevne i meget alkaliske betonmiljøer, marine miljøer med høj saltspray og tidevandszoner med skiftende våde og tørre forhold. Det er i øjeblikket den foretrukne anodetype til langvarig korrosionsbeskyttelse af broer. Dens største begrænsning er dens relativt høje startpris.

(II) Anoder af støbejern med højt siliciumindhold

Anoder af støbejern med højt siliciumindhold er et modent anodemateriale, der anvendes i traditionelle katodiske beskyttelsessystemer med påtrykt strøm. Hovedkomponenterne er jern og silicium (indhold 14%-18%), hvor nogle modeller tilsætter legeringselementer som krom og molybdæn for at forbedre korrosionsbestandigheden. Det har moderate omkostninger, høj styrke og god temperaturbestandighed.

Korrosionsbestandigheden af ​​anoder af støbejern med højt siliciumindhold stammer fra den tætte oxidfilm, der dannes af silicium og jern. De kan fungere stabilt i jord-, ferskvands- og havvandsmiljøer og er særligt velegnede til miljøer med høje kloridionkoncentrationer (såsom undervandsfundamenter til broer over havet). Deres driftsspændingsområde er bredt (typisk ≤50V).

I broapplikationer anvendes anoder af støbejern med højt siliciumindhold ofte i stang- eller rørform, hvilket normalt kræver koksfyldning for at danne et anodejordlag for at reducere jordmodstanden. Typiske anvendelser omfatter beskyttelse af nedgravede eller undervandsstrukturer såsom bropælefundamenter og membranvægge, men langvarig brug i tørre miljøer bør undgås (da passiveringsfejl er sandsynlig). Levetiden for anoder af støbejern med højt siliciumindhold er typisk 20-30 år, og deres omkostninger er lavere end for MMO-anoder, hvilket gør dem til et vigtigt valg, der balancerer ydeevne og økonomi. De er dog tungere og kræver en vis installationsplads og konstruktionsteknikker.

(III) Kulbaserede anoder

Kulbaserede anoder bruger kulstofmaterialer som grafit og koks som deres kernekomponenter, primært inklusive grafitanoder og fleksible kulfiberanoder. Deres kernefordele ligger i deres gode ledningsevne og lave pris.

Grafitanoder er den mest anvendte type kulbaseret anode, da de har høj ledningsevne og kemisk stabilitet, hvilket gør dem velegnede til applikationer med høj strøm (såsom beskyttelse af store broer). Grafitanoder fremstilles typisk i blok-, stang- eller pladeformer og skal bruges sammen med koksfyld for at reducere jordmodstand og mekanisk slid. De har relativt lav mekanisk styrke og er sprøde, hvilket gør dem tilbøjelige til at bryde under transport og installation, og deres forbrugshastighed er relativt hurtig i stærkt oxiderende miljøer. Deres designlevetid er typisk 15-25 år, hvilket gør dem velegnede til ikke-kritiske brokomponenter eller midlertidige beskyttelsesopgraderinger.

Working Princip

Kernen i broens ICCP-system er at ændre brostrukturens elektrokemiske polarisationstilstand (primært armeringsstålet) ved at anvende en ekstern jævnstrømsforsyning. Jævnstrømmen gør den til katoden i det elektrokemiske kredsløb, hvorved forekomsten af ​​anodiske reaktioner (metalkorrosion) hæmmes. Anoden, som strømfrigiver, er nøglen til at realisere dette kredsløb.

(I) Elektrokemisk korrosionshæmning

Korrosionen af ​​broarmeringsstål er i bund og grund elektrokemisk: I et fugtigt miljø danner armeringsstålet (primært jern) utallige små galvaniske celler med urenheder (såsom kulstof), fugt og ilt i betonen. Armeringsstålet fungerer som anode og gennemgår en oxidationsreaktion. Jernatomer mister elektroner for at danne Fe²⁺, som derefter kombineres med ilt og vand i miljøet for at danne rust (FeO・nH₂O), hvilket får armeringsstålet til at udvide sig, og betonen til at skalle af. De elektrokemiske reaktioner er som følger:

Anode (korrosion af stålarmering): Fe – 2e⁻ → Fe²⁺
Katode (korrosionsfremmende): 2H₂O + O₂ + 4e⁻ → 4OH⁻
Rustdannelse: Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂; 4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ → 4Fe(OH)₃; 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃・nH₂O (rust) + (3-n)H₂O

ICCP-systemet leverer jævnstrøm via en ekstern potentiostat, der forbinder anoden til strømforsyningens positive terminal og armeringsbroens stål til den negative terminal, hvorved der etableres et omvendt elektrokemisk kredsløb. På dette tidspunkt leverer potentiostaten kontinuerligt elektroner til armeringsstålet og polariserer dets overfladepotentiale til en stabil tilstand under korrosionspotentialet (typisk kræver det -850 mV vs. CSE eller opfylder et 100 mV polarisationshenfaldskriterium). Fe-oxidation (anodisk reaktion) forekommer ikke længere på ståloverfladen, hvilket fuldstændigt hæmmer korrosionsprocessen.

Kriterier for anodeudvælgelse

Valg af anode kræver omfattende overvejelser af brostrukturtype, driftsmiljø, beskyttelseskrav, designlevetid og økonomisk effektivitet. Specifikke beslutningskriterier er som følger:

KorrosionsniveauTil havmiljøer (broer over havet, kystbroer) og områder med salt jord foretrækkes MMO-anoder eller kromholdige støbejernsanoder med højt siliciumindhold på grund af deres stærke modstandsdygtighed over for kloridionkorrosion. Til tørre områder inde i landet kan grafitanoder eller fleksible kulfiberanoder vælges for at afbalancere omkostninger og ydeevne.

StrukturTil store plane strukturer såsom brodæk og kassebjælker foretrækkes MMO-netanoder. Til nedgravede/undervandsstrukturer såsom bropiller og pælefundamenter kan MMO-stanganoder eller støbejernsanoder med højt siliciumindhold anvendes. Til komplekse krumningsstrukturer såsom brotårne ​​og bueribber er MMO-lineære anoder eller fleksible kulfiberanoder egnede.

Nuværende krav og levetidTil store broer med en levetid på ≥ 30 år (såsom broovergange og bybroer) foretrækkes MMO-anoder. Til broer med mellemlang levetid (20-30 år) foretrækkes MMO-anoder. Til broer med mellemstore strømkrav (f.eks. årsstrøm) kan støbejernsanoder med højt siliciumindhold vælges; til midlertidig beskyttelse eller lokale reparationer kan grafitanoder anvendes.

KonstruktionsbegrænsningerFor områder med begrænsede rum eller komplekse strukturer bør fleksible anoder eller modulære MMO-anoder, der er nemme at installere, prioriteres; for brodækområder, der skal kunne modstå køretøjsbelastninger, skal anoderne have høj mekanisk styrke, og fortykkede MMO-netanoder med et slidstærkt beskyttende lag kan vælges.