ICCP Kathodischer Korrosionsschutz für Schiffe

Schiffe sind ständig den extremen Herausforderungen der stark korrosiven Meeresumgebung ausgesetzt. Im Bereich der Korrosionsschutztechnologie für Schiffe ist der kathodische Schutz eine der wichtigsten und effektivsten Methoden. Er wird im Wesentlichen in zwei Kategorien unterteilt: Opferanoden und Fremdstrom-Kathodenschutz (ICCP). Opferanoden bieten Schutz, indem sie ein stärker negativ geladenes Metall (wie Zink oder Aluminiumlegierungen) auflösen. Obwohl Opferanoden kostengünstig und einfach zu installieren sind, weisen sie Nachteile wie begrenzte Stromabgabe, kurze Lebensdauer (2–3 Jahre) und die Notwendigkeit des regelmäßigen Austauschs auf, wodurch sie für den langfristigen Schutz großer Schiffe (über 50,000 Tonnen) ungeeignet sind.

Fremdstrom-Kathodenschutzsysteme regeln den Schutzstrom aktiv über ein externes Gleichstromnetzteil. Sie bieten Vorteile wie hohe Ausgangsleistung, einen breiten Schutzbereich, eine lange Lebensdauer (15–20 Jahre) und eine dynamische Anpassungsfähigkeit an Veränderungen der maritimen Umgebung. Dadurch sind sie die gängigste Schutzlösung für moderne, große und hochwertige Schiffe.

Hinweise:

1. Die Potentialparameter basieren auf der Ag/AgCl-Referenzelektrode.
2. Der Kostenvergleich basiert auf der Anfangsinvestition für die gleiche Schutzfläche (100 m²).
3. Die Anpassungsfähigkeit an die Umgebungsbedingungen sollte an die tatsächlichen Parameter (Temperatur, Salzgehalt, Strömungsgeschwindigkeit) des Einsatzgebietes des Schiffes angepasst werden. Es wird empfohlen, hierfür die adaptive Regelungsfunktion eines Potentiostaten zu nutzen.

Die wichtigsten Anforderungen an Hilfsanoden in maritimen ICCP-Systemen sind: hohe Leitfähigkeit, geringe Polarisationsüberspannung, Beständigkeit gegen Meerwasserkorrosion, hohe mechanische Festigkeit und lange Lebensdauer. Zudem müssen sie rauen Betriebsbedingungen wie dem Aufprall von Wasserströmungen und Vibrationen während der Schiffsfahrt standhalten. Gängige Hilfsanoden für maritime ICCP-Systeme lassen sich derzeit in drei Hauptkategorien einteilen:

(I) Platinbeschichtete Titananoden (Pt/Ti-Anoden)

Platinbeschichtete Titananoden sind der am weitesten verbreitete High-End-Anodentyp in marinen ICCP-Systemen. Sie bestehen aus einem Reintitansubstrat (zur mechanischen Stabilisierung) und einer darauf galvanisch abgeschiedenen Platinschicht (katalytisch leitfähige Schicht). Ihr Hauptvorteil liegt in der hohen elektrochemischen Stabilität und den geringen Polarisationseigenschaften von Platin: In Meerwasser löst sich die Platinschicht nicht auf und korrodiert nicht, sondern dient lediglich als Medium für den Elektronentransfer mit einer Polarisationsüberspannung von ≤ 0.3 V (bei einer Stromdichte von 100 A/m²).

Die Platinschichtdicke von Titan-basierten, platinbeschichteten Anoden für maritime Anwendungen muss ≥ 5 μm betragen, bei extrem niedrigem Verbrauch (≤ 1 g/A·a) und einer geplanten Lebensdauer von 15–20 Jahren. Titan-basierte, platinbeschichtete Anoden für maritime Anwendungen können in verschiedenen Formen wie Platten, Rohren und Streifen verarbeitet werden, um unterschiedlichen Einbauorten wie Rumpf, Bug und Heck gerecht zu werden.

Diese Anodenart eignet sich für große Containerschiffe, Tanker, LNG-Tanker und andere Schiffe mit hohen Schutzanforderungen und langer Lebensdauer, insbesondere für großflächige Rumpfschutzanwendungen, die eine gleichmäßige Stromverteilung erfordern. Aufgrund des hohen Platinpreises sind die anfänglichen Investitionskosten für titanbasierte, platinbeschichtete Anoden jedoch relativ hoch.

(II) Titan-Mischmetalloxid-Anoden (MMO-Anoden)

Anoden aus gemischten Metalloxiden Titan dient als Substrat und ist mit einer Mischbeschichtung aus Metalloxiden wie Ruthenium, Iridium und Tantal versehen. Diese Anodenart hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und zeichnet sich durch hohe Stabilität und Wirtschaftlichkeit aus. Die Oxidschicht besitzt eine platinähnliche katalytische Aktivität, ein niedriges Polarisationsüberspannungspotenzial (0.2–0.4 V) und eine hohe Beständigkeit gegenüber Chlorkorrosion. Bei der Meerwasserelektrolyse findet an der Anodenoberfläche hauptsächlich die Chlorentwicklungsreaktion (2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻) statt, wodurch eine Korrosion des Substrats vermieden wird.

Die Beschichtungsdicke von MMO-Anoden beträgt typischerweise 20–50 µm. Eine spezielle Beschichtungstechnologie gewährleistet eine feste Verbindung mit dem Titansubstrat. Dies führt zu hoher mechanischer Festigkeit und Verschleißfestigkeit sowie einem Verbrauch von nur 1/3 bis 1/2 im Vergleich zu platinbeschichteten Titan-Anoden. Die Lebensdauer beträgt 12–18 Jahre. Im Vergleich zu platinbeschichteten Titan-Anoden senken MMO-Anoden die Herstellungskosten um 30–50 % und bieten gleichzeitig eine vergleichbare Leistung bei mittleren Stromdichten (10–30 A/m²). Daher sind sie die bevorzugte Anodenart für kleine und mittelgroße Schiffe sowie Offshore-Anlagen.

Je nach Zusammensetzung der Beschichtung können MMO-Anoden in Hochruthenium-Typen (geeignet für Szenarien mit hoher Stromdichte) und Hochiridium-Typen (geeignet für Anforderungen an eine lange Lebensdauer) unterteilt werden, wodurch sie sich flexibel an die Schutzbedürfnisse verschiedener Behälter anpassen lassen.

(III) Platin/Niob-Anoden (Pt/Nb-Anoden)

Platin-Niob-Anoden verwenden Niob als Substrat mit einer galvanisch aufgebrachten Platinschicht und sind ein spezieller Anodentyp, der für extreme Betriebsbedingungen entwickelt wurde. Niob als Substrat weist im Vergleich zu Titan eine überlegene Hochtemperaturstabilität und Korrosionsbeständigkeit auf. Selbst wenn Schiffe in Hochtemperaturgebiete einfahren oder lokal hohen Temperaturen an der Anode ausgesetzt sind, bleibt die Strukturstabilität erhalten und ein Versagen durch Substratoxidation wird verhindert.

Diese Anodenart weist typischerweise eine Platinschichtdicke von ≥ 8 μm, eine Polarisationsüberspannung von ≤ 0.25 V und eine hohe Stromtragfähigkeit (bis zu 50 A/m²) auf. Sie eignet sich für große FPSOs, Offshore-Plattform-Versorgungsschiffe und andere Spezialschiffe, die langfristiges Liegen und hohen Schutz erfordern, und ist besonders gut für den Einsatz in marinen Umgebungen mit starken Salzgehaltsschwankungen und drastischen Temperaturänderungen geeignet. Aufgrund der aufwendigen und kostspieligen Verarbeitung von Niobsubstraten ist der Anwendungsbereich von Platin/Niob-Anoden jedoch relativ begrenzt; sie werden hauptsächlich in kritischen Schutzkomponenten mit extrem hohen Zuverlässigkeitsanforderungen eingesetzt.

Anwendungen

Die Anwendung von ICCP-Fremdstrom-Kathodenschutzanoden in Schiffen erstreckt sich über den gesamten Lebenszyklus von Schiffsdesign, Konstruktion, Installation und Betrieb.

Schiffsbodenstruktur

Der Schiffsrumpf stellt die größte Unterwasserschutzfläche eines Schiffes dar. Anoden sind typischerweise symmetrisch in Längsrichtung des Rumpfes angeordnet, mit jeweils zwei bis vier plattenförmigen Anoden am Bug und Heck sowie einer Anode alle 15 bis 20 Meter im Mittschiffsbereich, um eine gleichmäßige Abdeckung mit Schutzstrom zu gewährleisten. Bei großen Öltankern und Containerschiffen kann eine Kombination aus Haupt- und Hilfsanoden verwendet werden. Die Hauptanode liefert den allgemeinen Schutzstrom. Die Hilfsanoden bieten zusätzlichen Schutz für stark korrosionsgefährdete Bereiche wie in der Nähe der Wasserlinie sowie am Bug und Heck.

Wellenanlage und Propeller

Bauteile wie Propeller und Wellenanlagen bestehen größtenteils aus Kupferlegierungen, die eine Potenzialdifferenz zum Stahl des Schiffsrumpfs aufweisen und daher anfällig für galvanische Korrosion sind. Kleine rohrförmige Anoden (z. B. platinbeschichtete Titan-Anoden) werden in der Nähe der Propellernabe installiert. Diese Anoden sind über Isolierflansche (Isolationswiderstand ≥ 1 MΩ) vom Schiffsrumpf getrennt, um Störungen des Wellenerdungssystems durch den ICCP-Strom zu verhindern und sicherzustellen, dass das Wellenpotenzial zwischen -0.85 V und -1.0 V gehalten wird.

Ballasttanks und Unterwasser-Ventilkästen

Ballasttanks sind aufgrund wechselnder Feuchtigkeit und Sauerstoffmangel anfällig für mikrobielle Korrosion. Streifenförmige MMO-Anoden können in den Tanks installiert und mit einer Epoxidbeschichtung zu einem Verbundschutz kombiniert werden. Unterwasser-Ventilkästen erfordern aufgrund des hohen Risikos turbulenter Korrosion eine dichte Anordnung hochreiner Anoden (z. B. titanbasierte, platinbeschichtete Anoden) mit einer Stromdichte von 150–200 A/m², um den lokalen Schutz zu verbessern.

Installationsspezifikationen

Die Anoden müssen auf der sandgestrahlten Metalloberfläche des Rumpfes installiert werden, wobei ein elektrischer Kontaktwiderstand von < 0.01 Ω zu gewährleisten ist. Schweißen ist als Befestigungsmethode vorzuziehen (bei Verschraubung sind leitfähige Dichtungen zu verwenden). Die Anoden sollten von Präzisionsgeräten wie Sonar und Echolot ferngehalten werden, um elektromagnetische Störungen zu vermeiden. Der Abstand zwischen den Anoden ist anhand der aktuellen Reichweite (typischerweise 15–20 m) zu bestimmen, um tote Winkel auszuschließen. Der Abstand zur Referenzelektrode sollte ≥ 2 m betragen, um Störungen der Potentialmessung durch das elektrische Feld der Anoden zu vermeiden. Der Abstand zur MGPS-Anode sollte ≥ 10 m betragen, um galvanische Korrosion zu verhindern. Die Anodenkabel müssen seewasserbeständige, isolierte Kabel (z. B. mit Neopren-Gummimantel) sein, und die Kabelverbindungen müssen wasserdicht und abgedichtet sein (Isolationswiderstand ≥ 10 MΩ). Die Kabelführung sollte scharfe Kanten des Rumpfes vermeiden, um Verschleiß während der Fahrt zu verhindern.