Zinkopferanode Die Technologie hat sich in fast 200 Jahren weiterentwickelt und ein umfassendes Materialsystem, Konstruktionsnormen, Bauvorgaben sowie Betriebs- und Wartungssysteme hervorgebracht. In der extrem komplexen Umgebung der chemischen Industrie sind diverse Geräte, Rohrleitungen, Lagertanks und Stahlkonstruktionen langfristig extremer Korrosion durch starke Säuren, starke Laugen, hohe Salzkonzentrationen, hohe Temperaturen, hohen Druck und komplexe organische Medien ausgesetzt. Korrosion verursacht nicht nur direkte wirtschaftliche Verluste wie Geräteausfälle, Materialverluste und ungeplante Stillstände, sondern kann auch schwere Sicherheitsunfälle wie Brände, Explosionen und die Ausbreitung toxischer Stoffe auslösen und stellt zudem ein ernsthaftes Risiko für die Umwelt dar.
Zinkopferanode Kathodenschutz Die Technologie basiert auf dem Prinzip elektrochemischer galvanischer Zellen. Zink und Zinklegierungen weisen ein negativeres Elektrodenpotenzial als Metalle wie Stahl auf. Durch ihre bevorzugte Oxidation und Auflösung liefern sie einen kontinuierlichen Schutzstrom für die zu schützende Struktur. Die geschützte Metallstruktur wird in einen korrosionsbeständigen Potenzialbereich polarisiert, wodurch Korrosionsreaktionen grundlegend verhindert werden. Dieser Leitfaden bietet einen systematischen Überblick über die Materialarten, elektrochemischen Funktionsprinzipien, Anwendungen und die Konstruktion von Zinkopferanoden in der chemischen Industrie. Ziel ist es, Ingenieuren, Konstrukteuren sowie Betriebs- und Wartungspersonal in der chemischen Industrie eine umfassende, fundierte und praxisorientierte technische Anleitung für die Anwendung von Zinkopferanoden zu geben.
Zink-Opferanodentypen
Die Leistungsfähigkeit und Anwendbarkeit von Zink Opferanoden Die Eigenschaften von Produkten hängen primär von ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrer metallographischen Struktur und ihrer Morphologie ab. Um den vielfältigen Anforderungen unterschiedlicher Medienumgebungen, Betriebsbedingungen und zu schützender Objekte in der chemischen Industrie gerecht zu werden, wurde ein mehrdimensionales und standardisiertes Produktsystem etabliert. Alle Handelsprodukte müssen die technischen Anforderungen maßgeblicher Normen wie ASTM B418, ISO 9351 und GB/T 4950-2021 erfüllen.
Reine Zinkanoden
Reinzinkanoden verwenden hochreines Zink (≥ 99.995 %) als Basismaterial. Der Gehalt an schädlichen Verunreinigungen wie Eisen, Kupfer und Blei wird streng kontrolliert. Dies entspricht Anoden des Typs II nach ASTM B418 und auch hochreinen Zinkanoden des Typs II nach GB/T 4950-2021.
Chemische Kernzusammensetzung (ASTM B418-16a): Aluminium ≤0.005 %, Cadmium ≤0.003 %, Eisen ≤0.0014 %, Kupfer ≤0.002 %, Blei ≤0.003 %, Zink Rest.
Kernleistungsmerkmale: Stabiles Leerlaufpotenzial (-1.05 V bis -1.10 V vs. CSE), geringe Polarisation, geringe Passivierung in Böden mit niedrigem spezifischem Widerstand, Süßwasser, heißem Süßwasser und chlorhaltigen Medien; gleichmäßige Auflösung. Stromausbeute von über 90 %. Korrosionsprodukte sind ungiftig und unschädlich und erfüllen die Trinkwassernormen.
Anwendungsbereiche: Hauptsächlich verwendet für erdverlegte Chemikalienleitungen, Tankböden, Wasserversorgungs- und Abwassernetze, Hochtemperatur-Frischwasserkühlsysteme und Lager für hochreine Chemikalien in Böden mit einem spezifischen Widerstand von ≤15 Ω·m. Besonders geeignet für Anwendungen mit Chemikalien in Lebensmittel- und Pharmaqualität, die strenge Anforderungen an die Abscheidung von Verunreinigungen stellen.
Zn-Al-Cd-Anode
Die Zn-Al-Cd-Anode ist die am weitesten verbreitete klassische Zinkopferanode in der chemischen Industrie und entspricht den Anoden des Typs I gemäß ASTM B418. Sie ist zudem das weltweit am weitesten verbreitete kommerzielle Zinkanodensystem und erfüllt die technischen Anforderungen des US-Militärstandards MIL-A-18001K.
Kernelemente (ASTM B418-16a): Aluminium 0.1%~0.5%, Cadmium 0.025%~0.07%, Eisen ≤0.005%, Kupfer ≤0.005%, Blei ≤0.006%, Zink Rest.
Kernleistungsmerkmale: Stabiles Leerlaufpotenzial (-1.05 V bis -1.10 V vs. CSE), geringe Polarisation, geringe Passivierung in Böden mit niedrigem spezifischem Widerstand, Süßwasser, heißem Süßwasser und chlorhaltigen Medien; gleichmäßige Auflösung. Stromausbeute von über 90 %. Korrosionsprodukte sind ungiftig und unschädlich und erfüllen die Trinkwassernormen.
Aluminium (Al): Verfeinert die Legierungskörner, unterdrückt die negativen Auswirkungen schädlicher Verunreinigungen wie Eisen und verbessert die Aktivität der Anode in Medien mit hohem Chloridionengehalt;
Cadmium (Cd): Verringert die Selbstkorrosionsrate der Anode, fördert das Ablösen und Entfernen von Korrosionsprodukten und erhöht die Stabilität der Anode in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen.
Cadmiumfreie Zinkanoden
Bei dieser Anodenart wird Cadmium durch ungiftige Aktivierungselemente wie Magnesium, Zinn, Mangan und Indium ersetzt, wodurch eine cadmiumfreie Leistung erzielt wird, während gleichzeitig die hervorragende Leistung herkömmlicher Zn-Al-Cd-Anoden erhalten bleibt.
Elemente: Zn-Al-Mg-Reihe, Zn-Al-Mn-Reihe, Zn-Al-Sn-In-Reihe. Am weitesten verbreitet ist die cadmiumfreie Zn-Al-Mg-Anode. Rest Zink, Aluminium 0.3–0.6 %, Magnesium 0.05–0.2 %. Strenge Kontrolle schädlicher Verunreinigungen wie Eisen, Kupfer und Blei. Erfüllt die Anforderungen der Norm GB/T 4950-2021 für umweltfreundliche Anoden des Typs III.
Leistung: Stromausbeute ≥ 92 %, vergleichbar mit herkömmlichen cadmiumhaltigen Anoden. Ausgezeichnete Auflösungsgleichmäßigkeit, kein Risiko einer Schwermetallbelastung. Gute Anpassungsfähigkeit an Boden-, Süßwasser- und Meerwassermedien. Die Zugabe von Magnesium verbessert die Passivierungsbeständigkeit und die Tieftemperaturstabilität der Anode.
Anwendungsbereiche: Hauptsächlich eingesetzt in der pharmazeutischen und chemischen Industrie, der Lebensmittel- und Chemieindustrie, der Trinkwasseraufbereitung und in kommunalen Abwasserleitungen für chemische Abwässer mit strengen Umweltschutzauflagen.
Spezielle funktionelle Zinklegierungsanoden
Zur Bewältigung extremer Bedingungen in der chemischen Industrie, wie hohen Temperaturen, hohem spezifischem Widerstand und starker Korrosion, wurden verschiedene spezielle funktionelle Zinklegierungsanoden entwickelt. Zu den bekanntesten zählen hochtemperaturbeständige Zinklegierungsanoden und Zinkanoden, die speziell für Umgebungen mit hohem spezifischem Widerstand konzipiert sind.
Herkömmliche Zinkanoden weisen bei Temperaturen über 60 °C Probleme wie eine positive Potentialverschiebung, beschleunigte interkristalline Korrosion und sogar eine Potentialumkehr auf (das Elektrodenpotential von Zink ist positiver als das von Stahl, was zum Verlust der Schutzwirkung führt). Dadurch werden die Schutzanforderungen für Hochtemperatur-Kühlwasser in Chemieanlagen, Geothermieanlagen und Rohrleitungen für Hochtemperaturmaterialien nicht erfüllt.
Hochtemperatur-Zinkanoden
Der Eisengehalt wird streng kontrolliert, und Spuren von Mangan, Chrom und anderen Legierungselementen werden hinzugefügt, um die metallographische Struktur zu optimieren. Sie weisen in Hochtemperaturmedien von 50 °C bis 100 °C eine stabile Leistung auf. Diese Anoden wurden erfolgreich in Hochtemperatur-Produktionswasserleitungen in Ölfeldern, in Hochtemperatur-Kreislaufwassersystemen in Chemieanlagen und in geothermischen Chemieanlagen eingesetzt.
Hochohmige Zinkanoden
Durch die Zugabe aktivierender Elemente wie Indium und Bismut sowie die Optimierung der Legierungszusammensetzung wird die Anodenpolarisationsrate reduziert und die Stromausbeute der Anode in Medien mit hohem spezifischem Widerstand verbessert. Sie arbeiten stabil in Böden und Süßwasser mit einem spezifischen Widerstand von 15–30 Ω·m und erweitern so das Anwendungsgebiet von Zinkanoden in erdverlegten chemischen Anlagen in Böden mit hohem spezifischem Widerstand sowie in Süßwasserkreislaufsystemen.
Block-/Platten-Zinkanoden
Hauptmerkmale: Einfache Struktur, niedrige Herstellungskosten, flexible Installation, stabile Stromabgabe und einfache Auslegung und Steuerung der Lebensdauer. Ein interner Stahlkern dient zum Schweißen oder Verschrauben.
Block-/Plattenanoden aus Zink sind die grundlegendste und am weitesten verbreitete Bauform in der chemischen Industrie. Typischerweise handelt es sich um gegossene Anoden mit trapezförmigem, rechteckigem oder quadratischem Querschnitt.
Anwendungsgebiete: Hauptsächlich werden sie zum Korrosionsschutz der Innen- und Außenwände großer Rohöl- und chemischer Rohstofftanks eingesetzt; außerdem zum Schutz der Innenwände großer Reaktoren und Wärmetauschergehäuse; zum Korrosionsschutz von Stahlbodenplatten in Kläranlagen; sowie zum Korrosionsschutz von maritimen Chemieplattformen und Stahlkonstruktionen in Docks. Beispielsweise werden am Boden eines 100,000 Kubikmeter fassenden Lagertanks üblicherweise Zinkblockanoden mit Gitteranordnung verwendet. Die Anzahl der in einem einzigen Tank installierten Anoden kann mehrere hundert betragen, bei einer geplanten Lebensdauer von über 20 Jahren.
Armband-/Ringförmige Zinkanoden
Hauptmerkmale: Koaxiale Installation mit der Rohrleitung, gleichmäßige Stromverteilung, keine toten Winkel und Anpassungsfähigkeit an Rohrleitungsbiegungen.
Armbandförmige Zinkanoden sind ringförmige Strukturen, die speziell für den Korrosionsschutz von Rohrleitungen entwickelt wurden. Sie bestehen aus zwei halbkreisförmigen Zinklegierungsblöcken, die direkt an der Außenwand der Rohrleitung angebracht und mittels Schrauben oder Schweißen befestigt werden können. Ein innerer Stahlrahmen gewährleistet Stabilität und Leitfähigkeit.
Anwendungen in der chemischen Industrie: Dies ist der Standard-Schutzanodentyp für erdverlegte chemische Stahlpipelines, Unterwasserpipelines für den Transport chemischer Stoffe, Anlagenkühlleitungen sowie Öl- und Gasförderleitungen. Er eignet sich besonders für Pipelines, die Flüsse, Autobahnen und Eisenbahnstrecken queren, sowie für den Korrosionsschutz von Pipelines in Gehäusen.
Bandförmige Zinkanoden
Bandförmige Zinkanoden sind flexible Bandanoden, die durch Extrusion hergestellt werden. Ihr Querschnitt ist meist rechteckig oder rautenförmig. Gängige Spezifikationen umfassen eine Breite von 15.88 mm bis 31.75 mm und eine Dicke von 4.76 mm bis 8.73 mm und entsprechen den Normen ASTM B418 und SY/T 0019.
Merkmale: Große spezifische Oberfläche, hohe Stromstärke pro Gewichtseinheit, ausgezeichnete Flexibilität, geeignet für den Einbau in beengten Räumen, auf unebenen Oberflächen und in komplexen Strukturen. Die extrem gleichmäßige Stromverteilung löst effektiv das Problem des lokalen Schutzes an beschädigten Beschichtungsstellen. Sie können auch als Erdungsbatterien zum Schutz vor Streuströmen in Chemieanlagen eingesetzt werden.
Anwendungen in der chemischen Industrie: Hauptsächlich verwendet für den Korrosionsschutz der Boden- und Randplatten von Chemikalienlagertanks, den Korrosionsschutz von erdverlegten Rohrleitungen in hochohmigen Böden, den Korrosionsschutz von PCCP-Rohrleitungen (vorgespannten Betonrohren), den lokalen Schutz komplexer Strukturen in Chemieanlagen, den Streustromschutz für Chemikalienleitungen in der Nähe elektrifizierter Eisenbahnstrecken sowie den Korrosionsschutz der Innenwände von Wärmetauschern und kleinen Behältern in beengten Umgebungen.
Das spezielle Packungsmaterial besteht typischerweise aus einer Mischung aus Gips, Bentonit und Natriumsulfat in einem bestimmten Verhältnis. Seine Hauptfunktion ist die Reduzierung des Kontaktwiderstands zwischen Anode und Boden, die Förderung einer gleichmäßigen Anodenauflösung und die Verhinderung der Anodenpassivierung.
Vorkonfektionierte Zinkanoden bestehen aus blockförmigen Zinkanoden, die in Baumwoll- oder Kunstfaserbeuteln mit einem speziellen chemischen Füllmaterial vorinstalliert sind. Sie gehören zu den am häufigsten verwendeten Anodenformen in unterirdischen Chemieanlagen.
Anwendungen in der chemischen Industrie: Weit verbreitet für den kathodischen Korrosionsschutz von vergrabenen Stahlrohrleitungen, unterirdischen Lagertanks, Ventilschächten, Stahlkonstruktionsfundamenten, Kabelrinnen und anderen vergrabenen Anlagen in Chemieanlagen.
Kundenspezifische Zinkanoden
Um den Korrosionsschutzanforderungen von Spezialanlagen und Sonderinstallationen in der chemischen Industrie gerecht zu werden, fertigt Wstitanium Zinkanoden in verschiedenen Sonderformen, darunter Scheiben-, Halbkreis-, U-, Keil- und Gewindeanoden. Diese Anoden eignen sich für komplexe Konstruktionen wie Wärmetauscher-Rohrböden, Pumpengehäuse, Ventile, Rührwerke und Anlagen für die Schiffschemie.
Zink-Opferanoden-Kathodenparameter
Die Schutzwirkung und Lebensdauer einer Zinkopferanode werden durch mehrere wichtige elektrochemische Leistungsparameter bestimmt. Diese Parameter bilden auch die Grundlage für die Anodenauswahl und Auslegungsberechnungen in der chemischen Industrie. Alle Parameter müssen gemäß den in der Norm NACE TM0190 festgelegten Prüfmethoden getestet und verifiziert werden.
Leerlaufpotential (OCP)
Das Leerlaufpotenzial bezeichnet das stabile Elektrodenpotenzial der Zinkanode in einem bestimmten Elektrolyten, wenn die Kathode nicht angeschlossen ist und kein Strom fließt. Es basiert üblicherweise auf einer gesättigten Kupfersulfat-Referenzelektrode (CSE) und wird in Volt (V) angegeben.
Eine geeignete Zinkopferanode sollte in Meerwasser bei 25 °C ein stabiles Ruhepotenzial von -1.05 V bis -1.10 V (gegenüber CSE) und in Bodenumgebung von -1.00 V bis -1.08 V (gegenüber CSE) aufweisen. Das Ruhepotenzial ist der wichtigste Indikator für die Aktivität der Zinkanode.
Betriebspotenzial (CP)
Das Betriebspotenzial bezeichnet das stabile Elektrodenpotenzial der Zinkanode bei normalem Schutzstrom, ebenfalls bezogen auf den CSE (Containment SE). Eine qualifizierte Zinkanode sollte in Meerwasser ein stabiles Betriebspotenzial zwischen -1.00 V und -1.05 V (gegenüber CSE) mit Schwankungen von maximal ±50 mV aufweisen. Die Stabilität des Betriebspotenzials ist entscheidend für die Zuverlässigkeit der Schutzwirkung. Übermäßige Potenzialschwankungen deuten auf eine ungleichmäßige Anodenauflösung hin, die leicht zu lokaler Korrosion oder Passivierung führen kann.
Ansteuerspannung
Die Ansteuerspannung ist die Differenz zwischen dem Betriebspotenzial der Zinkanode und dem Schutzpotenzial der zu schützenden Stahlkonstruktion. Sie ist die treibende Kraft, die den Schutzstrom von der Anode zur Kathode leitet.
Das minimale Schutzpotential für Stahlkonstruktionen in Erdreich und Gewässern beträgt typischerweise -0.85 V (gegenüber CSE). Daher liegt die effektive Ansteuerspannung der Zinkanode bei etwa 0.15 V bis 0.25 V und ist damit deutlich niedriger als die etwa 0.7 V von Magnesiumanoden und auch niedriger als 0.25 V bis 0.30 V von Anoden aus Aluminiumlegierung.
Eine der Hauptvorteile von Zinkanoden ist die niedrige Ansteuerspannung. Dadurch wird ein zu hoher Schutzstrom verhindert, das Risiko einer Übersteuerung reduziert und Probleme wie Wasserstoffversprödung von Stahl und Ablösung von Korrosionsschutzbeschichtungen durch Übersteuerung vermieden. Zinkanoden eignen sich besonders zum Schutz von hochfesten Stahlanlagen in der chemischen Industrie und von Konstruktionen mit hochkorrosionsbeständigen Beschichtungen. Gleichzeitig sind Zinkanoden aufgrund der niedrigen Ansteuerspannung auch besser für Medien mit niedrigem spezifischem Widerstand (≤ 30 Ω·m) geeignet. In Umgebungen mit hohem spezifischem Widerstand reicht die Ansteuerspannung nicht aus, um einen ausreichenden Schutzstrom zu erzeugen, wodurch die Schutzwirkung deutlich reduziert wird.
Theoretische Kapazität vs. Tatsächliche Kapazität
Die Kapazität bezeichnet die elektrische Energiemenge, die eine Masseneinheit Zinkanode abgeben kann, gemessen in Ah/kg. Sie ist ein entscheidender Parameter für die Lebensdauer der Anode. Die theoretische Kapazität von Zink beträgt 820 Ah/kg. Dies entspricht der theoretisch maximal freisetzbaren elektrischen Energiemenge, wenn sich 1 kg Zink vollständig auflöst. In der Praxis ist die tatsächliche elektrische Energieabgabe jedoch aufgrund von Faktoren wie Selbstkorrosion der Zinkanode, Nebenreaktionen von Verunreinigungen und ungleichmäßiger Auflösung geringer als der theoretische Wert. Dies wird als tatsächliche Kapazität bezeichnet.
Gemäß der Norm GB/T 4950-2021 sollte die tatsächliche Kapazität einer qualifizierten Zn-Al-Cd-Zinkanode in Meerwasser ≥780 Ah/kg und in Bodenumgebungen ≥740 Ah/kg betragen. Eine höhere tatsächliche Kapazität bedeutet eine bessere Anodenausnutzung und eine geringere benötigte Anodenmasse für die gleiche Lebensdauer.
Aktuelle Effizienz
Die Stromausbeute bezeichnet das Verhältnis der tatsächlichen zur theoretischen Kapazität einer Zinkanode, ausgedrückt in Prozent. Sie ist ein zentraler Indikator zur Bewertung der elektrochemischen Leistung von Zinkanoden. Eine geeignete Zinkanode sollte in Meerwasser eine Stromausbeute von ≥ 95 % und in Boden eine Stromausbeute von ≥ 90 % aufweisen. Hochreine Zinkanoden sollten in Süßwasser eine Stromausbeute von ≥ 85 % erreichen. Eine höhere Stromausbeute deutet auf eine geringere Selbstkorrosion der Anode und einen höheren Anteil der effektiven Ladung hin, der zum Schutz der zu schützenden Struktur genutzt wird.
Anodennutzungsrate
Der Anodennutzungsgrad bezeichnet den prozentualen Anteil der Gesamtmasse einer Zinkanode, der während ihrer Lebensdauer effektiv aufgelöst und verbraucht wird. Mit fortschreitender Auflösung der Anode treten Probleme wie freiliegender Eisenkern, positive Potentialverschiebung und verringerte Stromausbeute auf, wodurch die Anode ihre Funktionsfähigkeit verliert. Daher kann der Anodennutzungsgrad nicht 100 % erreichen.
Bei der Auslegung wird der Ausnutzungsgrad von Blockzinkanoden typischerweise mit 0.8–0.85 und der von Bandzinkanoden mit 0.9–0.95 angenommen. Der Anodenausnutzungsgrad ist ein entscheidender Parameter für die Auslegung der gesamten Anodenmasse und beeinflusst somit direkt die Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit des Schutzsystems.
Faktoren, die die Leistung von Zinkanoden beeinflussen
Die elektrochemische Leistungsfähigkeit, die Schutzwirkung und die Lebensdauer von Zinkanoden hängen nicht nur von ihren chemischen Elementen und ihrer Strukturmorphologie ab, sondern auch von verschiedenen Faktoren wie den chemischen Umgebungsbedingungen, der Installation und dem Betriebsmanagement. Ein umfassendes Verständnis dieser Einflussfaktoren ist eine Grundvoraussetzung für die korrekte Auswahl und die rationale Auslegung von Zinkanoden in der chemischen Industrie.
Legierungselemente
Das Verhältnis der Legierungselemente und der Gehalt an Verunreinigungen sind grundlegende Faktoren für die Leistungsfähigkeit von Zinkanoden. Geeignete Mengen an Legierungselementen wie Aluminium, Cadmium, Magnesium und Mangan können die Korngröße verfeinern, die Anodenaktivität verbessern, die Auflösungsgleichmäßigkeit erhöhen und die Selbstkorrosionsrate verringern; schädliche Verunreinigungen wie Eisen, Kupfer und Blei hingegen verschlechtern die Anodenleistung erheblich.
Eisen ist das schädlichste Verunreinigungselement in Zinkanoden. Es ist in Zink extrem schlecht löslich und scheidet sich als eisenreiche Phase an den Korngrenzen ab. Dort bildet es Mikrokolloid, beschleunigt die Selbstkorrosion der Zinkanode und verringert die Stromausbeute. Die Norm ASTM B418 schreibt streng vor, dass der Eisengehalt von Zinkanoden des Typs I ≤ 0.005 % und der von hochreinen Zinkanoden des Typs II ≤ 0.0014 % betragen muss.
Verunreinigungen wie Kupfer und Blei können zudem die Selbstkorrosion von Zinkanoden verstärken, was zu einer verringerten Stromausbeute und einer positiven Potentialverschiebung führt. Daher unterliegen diese Verunreinigungen in allen maßgeblichen Normen strengen Kontrollanforderungen.
Temperatur
Die Temperatur ist einer der wichtigsten Umweltfaktoren, die die Leistung von Zinkanoden beeinflussen. Bei Umgebungstemperaturen (0 °C bis 50 °C) steigt mit zunehmender Temperatur die Aktivität der Zinkanode, die Stromausbeute erhöht sich, die Auflösungsgleichmäßigkeit verbessert sich und die Schutzwirkung ist gut. Übersteigt die Umgebungstemperatur jedoch 60 °C, verschlechtert sich die Leistung herkömmlicher Zinkanoden rapide.
Einerseits beschleunigen hohe Temperaturen die Selbstkorrosion der Zinkanode, was zu einer deutlichen Verringerung der Stromausbeute und einer drastisch verkürzten Lebensdauer führt. Andererseits verschiebt sich in heißen Wasserumgebungen das Elektrodenpotenzial von Zink rasch in den positiven Bereich, und bei Temperaturen über 80 °C kommt es zu einer Potenzialumkehr.
An diesem Punkt verliert die Zinkanode ihre Schutzfunktion vollständig und kann die Korrosion des Stahls sogar beschleunigen. Daher ist der Einsatz herkömmlicher Zinkanoden in chemischen Medien, in denen die Temperatur über längere Zeiträume 60 °C übersteigt, strengstens untersagt. Für Hochtemperaturanwendungen müssen spezielle, hochtemperaturbeständige Zinklegierungsanoden ausgewählt werden.
Mittlerer pH-Wert
Der pH-Wert des Mediums bestimmt direkt die Löslichkeitseigenschaften der Korrosionsprodukte auf der Zinkanodenoberfläche und beeinflusst somit die Aktivität der Anode und das Passivierungsrisiko. Zinkanoden sind in neutralen, schwach sauren und schwach alkalischen Medien mit pH-Werten von 6–12 stabil. Die Korrosionsprodukte bestehen aus losem Zinkhydroxid und Zinksalzen, die sich leicht ablösen und keinen dichten Passivierungsfilm bilden.
Bei einem pH-Wert unter 4, also in stark saurem Milieu, beschleunigt sich die Korrosion von Zink drastisch. Es kommt zu starker Selbstkorrosion, die Stromausbeute sinkt deutlich, und die Anode versagt schnell. Daher wird die Verwendung von Zinkanoden in stark sauren Medien mit einem pH-Wert unter 4 nicht empfohlen.
Bei einem pH-Wert des Mediums über 12 bildet sich auf der Oberfläche der Zinkanode ein dichter Zinkoxid-Passivierungsfilm. Die Stromausbeute sinkt dadurch deutlich, und es kann zu einem vollständigen Ausfall der Passivierung kommen. Daher ist die Verwendung von Zinkanoden in stark alkalischen Medien mit einem pH-Wert über 12 strengstens untersagt.
Mittlerer spezifischer Widerstand und Leitfähigkeit
Der spezifische Widerstand und die Leitfähigkeit des Mediums bestimmen direkt den Widerstand des kathodischen Schutzkreises und beeinflussen somit die Stromabgabeleistung und den Schutzbereich der Zinkanode. Zinkanoden weisen eine relativ niedrige Ansteuerspannung (0.15 V bis 0.25 V) auf und eignen sich daher besonders für Medien mit niedrigem spezifischem Widerstand.
In Medien mit niedrigem spezifischem Widerstand wie Meerwasser und hochsalzhaltigem chemischem Abwasser (spezifischer Widerstand < 5 Ω·m) weisen Zinkanoden eine ausgezeichnete Stromabgabeleistung auf. In Böden und Süßwasser mit einem spezifischen Widerstand von 5–15 Ω·m können Zinkanoden zwar normal betrieben werden, jedoch muss der Stromkreiswiderstand durch Optimierung der Anodenanordnung und Verwendung leitfähigen Packungsmaterials reduziert werden. In Umgebungen mit einem spezifischen Widerstand von 15–30 Ω·m sollten hochohmige Zinkanoden verwendet oder die Anzahl der Anoden erhöht werden. Bei einem spezifischen Widerstand des Mediums > 30 Ω·m ist die Ansteuerspannung der Zinkanode nicht ausreichend, um einen ausreichenden Schutzstrom zu erzeugen, was zu einem extrem schlechten Schutz führt. In diesem Fall wird von der Verwendung abgeraten; stattdessen sollten Magnesiumanoden oder Fremdstrom-Kathodenschutzsysteme eingesetzt werden.
Chloridionenkonzentration
Chloridionen sind die häufigsten Anionen in chemischen Medien. Dies wirkt sich positiv auf die Leistung von Zinkanoden aus. Chloridionen besitzen ein extrem hohes Eindringvermögen, wodurch sie die Passivierungsschicht auf der Oberfläche der Zinkanode zerstören, deren Aktivität erhalten, eine gleichmäßige Auflösung fördern und ein Versagen der Passivierung verhindern können.
In Medien mit hohen Chloridionenkonzentrationen (wie Meerwasser, Sole aus der Chloralkaliindustrie und salzhaltigem chemischem Abwasser) weisen Zinkanoden eine ausgezeichnete Aktivität und hohe Stromausbeute auf und eignen sich daher optimal für deren Anwendung. In Süßwasser und Reinstwasser mit extrem niedrigen Chloridionenkonzentrationen bildet sich jedoch leicht ein Passivierungsfilm auf der Oberfläche der Zinkanode, was zu einer Verringerung der Stromausbeute oder sogar zum Ausfall führen kann. Daher müssen in Süßwasserumgebungen hochreine Zinkanoden verwendet werden.
Mittlerer Durchfluss
Die Durchflussrate des chemischen Mediums beeinflusst den Oberflächenzustand und die Korrosionsrate der Zinkanode. In Medien mit geringer Durchflussrate (< 1 m/s) kann eine moderate Durchflussrate Korrosionsprodukte schnell von der Anodenoberfläche entfernen und so Krustenbildung und Passivierung verhindern. Dies trägt zur Aufrechterhaltung der Anodenaktivität bei und verbessert die Stromausbeute.
Bei zu hoher Strömungsgeschwindigkeit des Mediums (> 3 m/s) beschleunigt die Spülwirkung der schnell fließenden Flüssigkeit den mechanischen Verschleiß und die Korrosionsauflösung der Zinkanode, was zu einem deutlich schnelleren Anodenverbrauch führt. Daher muss in schnell fließenden chemischen Medien eine spezielle, spülungsbeständige Anodenstruktur gewählt werden.
Mikroorganismen
Sulfatreduzierende Bakterien (SRB) und andere Mikroorganismen sind in chemischen Abwässern, Böden und Meerwasser weit verbreitet. Dies kann mikrobielle Korrosion (MIC) auslösen, die die Leistung von Zinkanoden auf zweifache Weise beeinträchtigt. Zum einen reagiert Schwefelwasserstoff, ein Stoffwechselprodukt sulfatreduzierender Bakterien, mit Zinkionen zu Zinksulfid. Dadurch wird die Passivierungsschicht auf der Anodenoberfläche zerstört und die Aktivität der Anode erhalten. Zum anderen beschleunigen die Lebensprozesse der Mikroorganismen die Selbstkorrosion der Zinkanode, was zu einer Verringerung der Stromausbeute und sogar zu Lochfraß und Perforationen führen kann.
In Umgebungen mit einem hohen Anteil an Mikroorganismen, wie z. B. in chemischen Abwasserbehandlungsanlagen, ölhaltigen Abwassermedien und sumpfigen Böden, müssen Zinklegierungsanoden ausgewählt werden, die gegen mikrobielle Korrosion resistent sind.
Anwendungen von Zinkopferanoden in der chemischen Industrie
Die chemische Industrie umfasst zahlreiche Teilbereiche, darunter Petrochemie, Chloralkali, Kohlechemie, Düngemittel, Feinchemikalien und Pharmazeutika. Diese verschiedenen Bereiche weisen erhebliche Unterschiede in den Produktionsbedingungen, den Umgebungsbedingungen und den Anlagentypen auf, was zu unterschiedlichen Korrosionseigenschaften führt. Zinkopferanoden mit ihren einzigartigen Leistungsvorteilen werden in zahlreichen Teilbereichen der chemischen Industrie zum Korrosionsschutz verschiedener Anlagen und Stahlkonstruktionen eingesetzt, was zu einem ausgereiften Anwendungstechnologiesystem und entsprechenden Normen geführt hat.
Petrochemische Industrie
Die petrochemische Industrie ist der größte und technologisch fortschrittlichste Teilbereich der chemischen Industrie hinsichtlich des Anwendungsumfangs von Zinkopferanoden. Sie deckt die gesamte industrielle Wertschöpfungskette von der Erdöl- und Erdgasförderung über die Aufbereitung und den Transport bis hin zur Rohölraffination und der Herstellung petrochemischer Produkte ab. Dabei kommen verschiedene hochkorrosive Medien zum Einsatz, darunter Rohöl, raffinierte Erdölprodukte, Erdgas, schwefelhaltige Abwässer sowie Öl und Gas unter hohen Temperaturen und Drücken. Anlagen und Stahlkonstruktionen sind über lange Zeiträume komplexen korrosiven Umgebungen ausgesetzt, was einen extrem zuverlässigen Korrosionsschutz erfordert.
Rohöl-Lagertanks
Lagertanks sind die zentrale Lagerausrüstung in der petrochemischen Industrie. Dazu gehören Rohöltanks, Tanks für raffinierte Öle, Tanks für chemische Rohstoffe und Tanks für Zwischenprodukte. Die Bodenplatte des Tanks ist am stärksten korrodiert und daher der Hauptanwendungsbereich für Zinkopferanoden.
Außenwand der Tankbodenplatte: Üblicherweise wird ein kombiniertes Schutzsystem aus vorgefertigten Block- und Streifenanoden aus Zink eingesetzt. Die Anoden sind gleichmäßig in einem Netz- oder Ringmuster in der Sandschicht des Tankfundaments angeordnet und bilden zusammen mit einer Asphalt-Korrosionsschutzbeschichtung ein Verbundschutzsystem aus Beschichtung und kathodischem Schutz. Die geplante Lebensdauer beträgt typischerweise 15–20 Jahre. Bei großen Rohöltanks mit einem Volumen von 100,000 Kubikmetern und mehr werden Streifenanoden üblicherweise ringförmig entlang der Kante der Tankbodenplatte angeordnet. Blockanoden sind netzartig im Inneren des Tankbodens verteilt, um eine gleichmäßige Stromverteilung zu gewährleisten und Schutzlücken zu vermeiden.
Innenwand der Tankbodenplatte: Bei Rohöllagertanks, Lagertanks für raffinierte Öle und Lagertanks für nicht stark saure chemische Rohstoffe werden geschweißte Blockzinkanoden gleichmäßig an die Innenwand der Tankbodenplatte geschweißt und direkt in das Medium eingetaucht, wodurch die Tankbodenplatte und der untere Teil der Tankwand geschützt werden.
Anwendungsbeispiel: Ein großes Rohöllager verfügt über 20 Rohöltanks mit je 100,000 Kubikmetern Fassungsvermögen. Alle Tanks sind mit einem kathodischen Korrosionsschutzsystem mit Zinkopferanoden ausgestattet. Jeder Tank enthält über 150 Zinkblockanoden und über 800 Meter Zinkstreifenanoden. Der Gesamtverbrauch an Anoden beträgt über 450 Tonnen bei einer geplanten Lebensdauer von 20 Jahren. Nach 10 Jahren Betrieb zeigte eine Prüfung, dass das Schutzpotenzial der Tankbodenplatte vollständig im zulässigen Bereich von -0.85 V bis -1.05 V lag, mit einer Korrosionsrate von <0.008 mm/Jahr. Dies belegt die hervorragende Schutzwirkung.
Öl- und Gaspipelines
In der petrochemischen Industrie werden erdverlegte Stahlrohrleitungen für Rohöl, Erdgas (Sammel- und Transportleitungen), Chemikalien und Kühlwasser verwendet. Ihre Gesamtlänge kann mehrere zehn bis hundert Kilometer betragen. Durch die lange Verlegung im Erdreich sind sie verschiedenen Risiken ausgesetzt, darunter Bodenkorrosion, Streustrom und mikrobielle Korrosion, was zu Korrosionsdurchbrüchen und Leckagen führen kann.
Fernleitungen: Bei Öl- und Gasleitungen mit großem Durchmesser und langer Verlegung werden Zink-Armbandanoden gleichmäßig entlang der Leitungsachse installiert. Der Abstand beträgt üblicherweise 50–100 Meter. Zusammen mit einer 3PE-Korrosionsschutzbeschichtung bilden sie ein Verbundschutzsystem.
Vergrabene Rohrleitungen: Für kleine und mittelgroße Materialleitungen, Kühlwasserleitungen sowie Wasserversorgungs- und Abwasserleitungen in Chemieanlagen werden vorgefertigte Zinkblockanoden verwendet. Diese werden gleichmäßig beidseitig entlang der Rohrleitung vergraben, alternativ werden Zinkstreifenanoden parallel zur Rohrleitungsachse verlegt.
Kühlwassersystem
Das Kühlwasserzirkulationssystem ist ein zentrales Unterstützungssystem für Erdölraffinerien. Chloridionen, gelöster Sauerstoff und Mikroorganismen im Zirkulationswasser können schwere Korrosion an Anlagenteilen wie Wärmetauschern, Kondensatoren, Kühlwasserleitungsnetzen und Pumpen verursachen.
Für Meerwasser-/Süßwasserkühlsysteme werden spezielle Zinkanoden verwendet, darunter scheiben-, stab- und plattenförmige Anoden. Diese werden direkt in den Wasserkammern von Wärmetauschern, Kondensatorrohrböden, den Innenwänden von Kühlwasserleitungen und im Pumpengehäuse installiert. In Meerwasser-Direktkühlsystemen finden Zinkanoden besonders häufig Verwendung und erreichen Wirkungsgrade von über 95 %.
Chlor-Alkali-Industrie
Die Hauptprodukte der Chloralkali-Industrie sind Natronlauge, Chlor und Wasserstoff. Der Produktionsprozess beinhaltet stark korrosive Medien wie hochkonzentrierte Sole, Natronlauge, Salzsäure und feuchtes Chlor und zählt daher zu den korrosivsten Bereichen der chemischen Industrie. Zu den Hauptanwendungen von Zinkopferanoden in der Chloralkali-Industrie gehören:
Solesysteme
Die Soleanlagen in der Chloralkali-Industrie umfassen gesättigte Solebehälter, Solezuleitungen, Klärbecken und Filter. Diese Anlagen sind permanent hochkonzentrierten Natriumchloridlösungen ausgesetzt, deren Chloridionenkonzentrationen über 300 g/l erreichen. Anlagen aus Kohlenstoffstahl und Edelstahl sind anfällig für starke Loch- und Spaltkorrosion. Block- und Streifenanoden aus Zink, die an den Innenwänden der Solebehälter und entlang der Rohrleitungen installiert werden, bieten einen stabilen kathodischen Schutz für die Kohlenstoffstahlanlagen und hemmen wirksam die durch Chloride verursachte Lochkorrosion. Die Lebensdauer der Anlagen kann dadurch von 3 auf über 10 Jahre verlängert werden.
Lagerung und Transport von Ätznatron
Lagertanks und Rohrleitungen für flüssige Natronlauge sind Kernausrüstung in der Chloralkali-Industrie. Für Lagertanks mit flüssiger Natronlauge bei Raumtemperatur und einer Konzentration von ≤ 32 % wird ein kathodischer Korrosionsschutz mittels Zinkanode eingesetzt. Da der pH-Wert flüssiger Natronlauge üblicherweise über 12 liegt, eignet sich der Korrosionsschutz nur für den Bereich des Bodens, in dem sich Wasser ansammelt. Die Verwendung als Ganzes in hochkonzentrierten und heißen Medien mit flüssiger Natronlauge ist strengstens untersagt.
Umlaufendes Kühlwassersystem
In der Chloralkali-Industrie werden Stahlkonstruktionen, Rohrleitungen und Lagertanks in sauren und salzhaltigen Abwasserbehandlungsanlagen mit vorverpackten Zinkanoden und Zinkstreifenanoden geschützt, wodurch die Korrosion durch Abwasser wirksam gehemmt und die Lebensdauer der Anlagen verlängert wird.
Schutz vor Korrosion in vergrabenen Rohrleitungsnetzen und Tanks
Erdvergrabene Salzsäure- und Flüssigalkalitanks sowie Materialtransportleitungen in Chloralkalianlagen sind sowohl durch Bodenkorrosion als auch durch Korrosion innerhalb der Medien gefährdet. Eine Schutzlösung, die Zinkopferanoden mit Korrosionsschutzbeschichtungen kombiniert, kann das Risiko von Korrosionsdurchbrüchen wirksam reduzieren.
Kohle Chemische Industrie
Die Kohlechemieindustrie nutzt Kohle als Rohstoff zur Herstellung chemischer Produkte wie Kohle-zu-Öl, Kohle-zu-Olefinen, Kohle-zu-Gas und Kohle-zu-Ethylenglykol. In extrem korrosiven Umgebungen mit hohen Temperaturen, hohem Druck, hohem Schwefel-, Chlorid- und Ammoniakstickstoffgehalt stellt die Korrosion von Anlagen ein bedeutendes Problem dar. Zinkopferanoden werden aufgrund ihrer ausgezeichneten Beständigkeit gegenüber Schwefel- und Chloridionenkorrosion in der Kohlechemieindustrie häufig in Anlagen der öffentlichen Infrastruktur, Lager- und Transportsystemen sowie in Abwasserbehandlungsanlagen eingesetzt.
Abwassersysteme
Schwefelhaltiges Abwasser und Abwasser aus der Kohlevergasung enthalten hohe Konzentrationen korrosiver Substanzen wie Schwefelwasserstoff, Ammoniakstickstoff, Chloridionen und Phenole, die zu starker Korrosion an den Stahlkonstruktionen von Abwasserspeichertanks, Rohrleitungen und Ausgleichsbehältern führen. Zinklegierungs-Opferanoden, die an den Innenwänden der Abwasserspeichertanks und auf der Oberfläche der Stahlkonstruktionen angebracht werden, hemmen wirksam die durch Schwefelwasserstoff und Chloridionen verursachte Korrosion. Gleichzeitig hemmen die Korrosionsprodukte des Zinks die Aktivität sulfatreduzierender Bakterien und verringern so das Risiko mikrobieller Korrosion. Dies macht die Zinklegierung zur wirtschaftlichsten und effektivsten Korrosionsschutzmethode für Abwassersysteme der Kohlechemie.
Lagerung, Transport und Pipelines
In der Kohlechemieindustrie werden die Stahlkonstruktionen von Rohkohlesilos, Lagertanks (Methanol, Olefine, Öl usw.) und erdverlegten Rohrleitungen mit einer Zinkopferanode in Kombination mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen. Dies verhindert wirksam Bodenkorrosion, atmosphärische Korrosion und Korrosion im Inneren der Tanks. Insbesondere die Innen- und Außenwände der Bodenplatten von Methanol- und Dieseltanks sind üblicherweise mit Zinkblockanoden für den kathodischen Korrosionsschutz ausgestattet.
Düngemittelindustrie
Die Düngemittelindustrie umfasst Stickstoffdünger, Phosphatdünger, Kalidünger und Mehrnährstoffdünger. Bei der Herstellung werden stark korrosive Medien wie Ammoniak, Schwefelsäure, Phosphorsäure und Harnstoff eingesetzt. Als Rohstoffe dienen hauptsächlich Phosphatgestein und Kalisalze mit hohem Chlorid- und Sulfationengehalt. Korrosion an den Anlagen stellt ein erhebliches Problem dar. Zinkopferanoden finden breite Anwendung in Lager- und Transportsystemen der Düngemittelindustrie, in Versorgungssystemen und in Abwasserbehandlungsanlagen.
Ammoniak-Lager- und Transportsystem
Flüssigammoniak-Lagertanks und gasförmige Ammoniakleitungen sind Kernkomponenten von Stickstoffdüngeranlagen. Die im Flüssigammoniak enthaltenen Sulfide und Chloridionen verursachen starke Korrosion an den Lagertanks aus Kohlenstoffstahl. Zinkopferanoden, die an die Innenwand der Tankbodenplatte geschweißt sind, verhindern diese Korrosion wirksam.
Lagerung und Transport von Schwefelsäure und Phosphorsäure
Schwefelsäure und Phosphorsäure sind wichtige Rohstoffe für die Herstellung von Phosphatdüngemitteln. Für die Bodenplatten von Lagertanks für konzentrierte Schwefelsäure und fertige Phosphorsäure wird ein kathodischer Korrosionsschutz mit Zinkanoden eingesetzt, um die Korrosion in den wassergefüllten Bereichen der Bodenplatte wirksam zu verhindern und so die Lebensdauer des Tanks zu verlängern. Es ist zu beachten, dass die Verwendung von Zinkanoden in verdünnter Schwefelsäure oder verdünnter Phosphorsäure mit einem pH-Wert unter 4 strengstens untersagt ist.
Abwasserbehandlungssysteme
Die im Erdreich verlegten Rohrleitungen, Wasserversorgungs- und Abwassernetze sowie die Stahlkonstruktionen der Abwasserteiche in Düngemittelwerken sind langfristig korrosiven Umgebungen mit hohem Salz-, Säure- und Alkaligehalt ausgesetzt. Vorgefertigte Zinkanoden und Zinkstreifenanoden werden zum kathodischen Korrosionsschutz eingesetzt. Dies ist die gängigste Lösung für den Korrosionsschutz der Infrastruktur in der Düngemittelindustrie.
Pharmazeutische und chemische Industrie
Die pharmazeutische und chemische Industrie verwendet eine Vielzahl von Medien, darunter organische Lösungsmittel, starke Säuren, starke Laugen, Salzlösungen und pharmazeutische Zwischenprodukte. Die Anlagen bestehen hauptsächlich aus kleinen bis mittelgroßen Reaktoren, Wärmetauschern, Lagertanks und Rohrleitungen.
Rohstofflagertanks
In der pharmazeutischen und chemischen Industrie werden meist kleine bis mittelgroße Lagertanks mit einem Volumen von 10 bis 1000 Kubikmetern eingesetzt. Die gelagerten Medien sind in der Regel organische Lösungsmittel, Salzlösungen und schwache Säuren/Laugen. An der Innenwand der Tanks sind geschweißte Zinkblock- und Zinkstabanoden angebracht, um den Tankboden und die Wände kathodisch zu schützen.
Reaktionsgefäße und Wärmetauscher
Die Mäntel, Rohrböden und Endkappen von Reaktionsgefäßen und Wärmetauschern für die Feinchemie sind die am stärksten korrodierten Bereiche. Speziell angefertigte Zinkanoden werden in diesen stark korrodierten Bereichen installiert, um gezielten kathodischen Schutz zu gewährleisten und lokale Korrosion zu verhindern.
Abwasserbehandlungssysteme
Abwässer aus der pharmazeutischen und chemischen Industrie weisen eine komplexe Zusammensetzung auf. Sie enthalten hohe Konzentrationen an chemischem Sauerstoffbedarf (CSB), Ammoniakstickstoff und Salzen und sind stark korrosiv, wodurch sie Klärteiche und Rohrleitungen stark angreifen. Zinkstreifenanoden und vorgefertigte Zinkanoden bieten kathodischen Korrosionsschutz und hemmen so wirksam die Abwasserkorrosion.
Abwasserbehandlung in Chemieparks
Kläranlagen, kommunale Abwassernetze und Brauchwasserleitungen in Chemieparks sind korrosiven Umgebungen mit hohem CSB-Wert, hohem Salzgehalt, hohem Ammoniakstickstoffgehalt und hoher mikrobieller Belastung ausgesetzt. Stahleinbauten, Stahlrohre, Schieber und Gehäuse in Betontanks korrodieren stark. Dies ist ein typisches Anwendungsgebiet für Zinkopferanoden.
Für die Stahlkonstruktionen von Belüftungsbecken, Absetzbecken und Ausgleichsbecken in Kläranlagen werden streifenförmige Zinkanoden gleichmäßig entlang des Beckenkörpers verteilt. Für erdverlegte Abwassernetze und Brauchwasserleitungen werden armbandförmige und vorgefertigte blockförmige Zinkanoden zum Schutz eingesetzt. Für Abwasserbehandlungsanlagen wie Pumpen, Schieber und Schlammabstreifer werden kundenspezifische stab- und blockförmige Zinkanoden verwendet.
Fazit
Die Technologie des kathodischen Korrosionsschutzes mit Zinkopferanoden hat sich in der chemischen Industrie zu einer der Kerntechnologien für den Korrosionsschutz von Stahlkonstruktionen entwickelt. Dieser Artikel stellt systematisch die in der chemischen Industrie üblicherweise verwendeten Zinkopferanoden vor, darunter hochreine Zinkanoden, Zn-Al-Cd-Anoden, umweltfreundliche cadmiumfreie Anoden und spezielle Funktionsanoden, klassifiziert nach ihrer chemischen Zusammensetzung, sowie Block-, Band-, Streifen- und vorgefertigte Anoden, klassifiziert nach ihrer Bauform. Das elektrochemische Wirkprinzip von Zinkopferanoden wird detailliert erläutert, wodurch die elektrochemische Natur der Metallkorrosion und der Kernmechanismus des kathodischen Korrosionsschutzes mit Opferanoden verdeutlicht werden. Wichtige Leistungsparameter wie Leerlaufspannung, Betriebsspannung, Ansteuerspannung und Stromausbeute werden detailliert analysiert, und der Einfluss von Schlüsselfaktoren wie Legierungszusammensetzung, Temperatur, pH-Wert, spezifischem Widerstand und Chloridionenkonzentration auf die Anodenleistung wird umfassend untersucht.
Die wichtigsten Anwendungsszenarien von Zinkopferanoden in verschiedenen Teilbereichen der chemischen Industrie werden umfassend dargestellt, und Anwendungsschemata für Zinkanoden werden für die Korrosionseigenschaften der petrochemischen, Chloralkali-, Kohlechemie-, Düngemittel- und Feinchemieindustrie erläutert.
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