ICCP katódos védelem hajókhoz

A hajók folyamatosan szembesülnek a rendkívül korrozív tengeri környezet komoly kihívásaival. A hajók korrózióvédelmi technológiai rendszerében a katódos védelem az egyik legfontosabb és leghatékonyabb módszer. Főként két kategóriába sorolható: áldozati anódok és lenyűgöző áramköri katódos védelem (ICCP). Az áldozati anódok egy negatívabb töltésű fém (például cink vagy alumíniumötvözetek) feloldásával biztosítanak védelmet. Bár az áldozati anódok olcsók és könnyen telepíthetők, hátrányaik vannak, mint például a korlátozott áramerősség, a rövid élettartam (2-3 év) és az időszakos csere szükségessége, ami miatt alkalmatlanok a nagy hajók (50 000 tonna felett) hosszú távú védelmi igényeinek kielégítésére.

Az impulzusáramú katódos védelmi rendszerek aktívan szabályozzák a védőáramot egy külső egyenáramú tápegységen keresztül. Olyan előnyöket kínálnak, mint a nagy kimeneti teljesítmény, a széles védelmi tartomány, a hosszú élettartam (15-20 év) és a tengeri környezet változásaihoz való dinamikus alkalmazkodóképesség, így a modern nagy és csúcskategóriás hajók számára a legelterjedtebb védelmi megoldást jelentik.

Megjegyzések:

1. A lehetséges paraméterek az Ag/AgCl referencia elektródán alapulnak.
2. A költség-összehasonlítást azonos védelmi terület (100 m²) kezdeti befektetése alapján számították ki.
3. A környezeti alkalmazkodóképességet a hajó működési területének tényleges paramétereihez (hőmérséklet, sótartalom, áramlási sebesség) kell igazítani. Ezt potenciosztát adaptív szabályozási funkciójával együtt ajánlott használni.

A tengeri ICCP rendszerekben használt segédanódokkal szemben támasztott alapvető követelmények a következők: nagy vezetőképesség, alacsony polarizációs túlfeszültség, ellenállás a tengervíz korróziójával szemben, nagy mechanikai szilárdság és hosszú élettartam, valamint a hajózás során fellépő zord üzemi körülményeknek, például a víz áramlásának ütéseinek és a rezgésnek való ellenállás. Jelenleg a hagyományos tengeri ICCP segédanódok főként a következő három kategóriába sorolhatók:

(I) Platinával bevont titán anódok (Pt/Ti anódok)

A titán alapú platinabevonatú anódok a legszélesebb körben használt csúcskategóriás anódtípusok a tengeri ICCP rendszerekben. Tiszta titán hordozóból (mechanikai támaszt nyújt) és a felületükre galvanizált platina rétegből (katalitikus vezetőréteg) állnak. Fő előnyük a platina magas elektrokémiai stabilitása és alacsony polarizációs tulajdonságai – tengervízben a platina réteg nem oldódik és nem korrodál, csupán elektronátviteli közegként szolgál, ≤0.3 V polarizációs túlfeszültséggel (100 A/m² áramsűrűségnél).

A tengeri alkalmazásokhoz használt titánalapú platinabevonatú anódok platinaréteg-vastagságának ≥5 μm-nek kell lennie, rendkívül alacsony fogyasztási rátával (≤1 g/A・a) és 15-20 éves tervezési élettartammal. A tengeri alkalmazásokhoz használt titánalapú platinabevonatú anódok különböző formákra, például lemezekre, csövekre és szalagokra dolgozhatók fel, hogy megfeleljenek a különböző telepítési helyeknek, például a hajótestnek, az orrnak és a tatnak.

Ez a típusú anód alkalmas nagy konténerszállító hajókhoz, tartályhajókhoz, LNG-szállító hajókhoz és más, magas védelmi követelményeket támasztó és hosszú élettartamú hajókhoz, különösen alkalmas nagy felületű hajótest-védelmi forgatókönyvekhez, amelyek egyenletes áramelosztást igényelnek. A platina magas ára miatt azonban a titán alapú platinabevonatú anódok kezdeti beruházási költsége viszonylag magas.

(II) Vegyes fém-oxid titán anódok (MMO anódok)

Vegyes fém-oxid anódok Titánt használnak hordozóként, amelyet fém-oxidok, például ruténium, irídium és tantál vegyes bevonatával vonnak be. Ez egy gyorsan fejlődő nagy teljesítményű anódtípus az utóbbi években, amely egyensúlyban tartja a nagy stabilitást és a gazdaságosságot. Az oxidbevonat platinaszerű katalitikus aktivitással, alacsony polarizációs túlfeszültséggel (0.2-0.4 V) és erős ellenállással rendelkezik a klór korróziójával szemben – a tengervíz elektrolízise során az anód felülete főként klórfejlődési reakción megy keresztül (2Cl⁻→Cl₂+2e⁻), elkerülve a hordozó korrózióját.

Az MMO anódok bevonatvastagsága jellemzően 20-50 μm. A speciális bevonattechnológia szoros kötést biztosít a titán hordozóval, ami nagy mechanikai szilárdságot, kopásállóságot és a titán alapú platinabevonatú anódok mindössze 1/3-1/2-es fogyasztási rátáját eredményezi, 12-18 éves tervezési élettartammal. A titán alapú platinabevonatú anódokhoz képest az MMO anódok 30-50%-kal csökkentik a gyártási költségeket, miközben közepes áramsűrűségeknél (10-30 A/m²) hasonló teljesítményt nyújtanak, így a kis és közepes méretű hajók, valamint a tengeri műveletek számára előnyös anódtípussá válnak.

A bevonat összetételétől függően az MMO anódok nagy ruténiumtartalmú (nagy áramsűrűségű forgatókönyvekhez alkalmas) és nagy irídiumtartalmú (hosszú élettartamú követelményekhez alkalmas) típusokra oszthatók, rugalmasan alkalmazkodva a különböző hajók védelmi igényeihez.

(III) Platina/nióbium anódok (Pt/Nb anódok)

A platina/nióbium anódok nióbiumot használnak szubsztrátként, a felületükön galvanizált platinaréteggel, és egy speciális anódtípus, amelyet extrém üzemi körülményekre terveztek. A nióbium, mint szubsztrát, kiváló magas hőmérsékleti stabilitást és korrózióállóságot mutat a titánhoz képest. Még akkor is, ha a hajók magas hőmérsékletű tengeri területekre lépnek be, vagy az anódon lokálisan magas hőmérsékletek tapasztalhatók, megőrzi szerkezeti stabilitását és megakadályozza a szubsztrát oxidációs meghibásodását.

Az ilyen típusú anód platinaréteg-vastagsága jellemzően ≥8 μm, polarizációs túlfeszültsége ≤0.25 V, és nagy áramvezető képességgel rendelkezik (akár 50 A/m² áramsűrűséget is elvisel). Alkalmas nagy FPSO-khoz, tengeri platformokat támogató hajókhoz és más speciális hajókhoz, amelyek hosszú távú kikötést és magas szintű védelmet igényelnek, és különösen jól alkalmazható nagy sótartalom-ingadozású és drasztikus hőmérséklet-változásokkal járó tengeri környezetben. A nióbium szubsztrátok magas feldolgozási nehézségei és költsége miatt azonban a platina/nióbium anódok alkalmazási tartománya viszonylag korlátozott, elsősorban kritikus védőalkatrészekben használják, amelyek rendkívül magas megbízhatósági követelményeket támasztanak.

Alkalmazási területek

Az ICCP nyomás alatti árammal működő katódos védőanódok alkalmazása a hajókban a hajótervezés, -építés, -telepítés és -üzemeltetés teljes életciklusát lefedi.

Hajófenék szerkezete

A hajótest a hajó legnagyobb víz alatti védelmi területe. Az anódok jellemzően szimmetrikusan vannak elrendezve a hajótest hosszirányában, 2-4 lemez alakú anóddal az orrnál és a tatnál, valamint egy-egy anóddal 15-20 méterenként a hajó közepén, hogy biztosítsák a védőáram egyenletes lefedettségét. Nagy olajszállító tartályhajók és konténerszállító hajók esetében a „főanód + segédanód” kombinációja is használható. A főanód biztosítja a teljes védőáramot. A segédanódok fokozott védelmet nyújtanak a magas korróziónak kitett területeken, például a vízvonal közelében, valamint az orrnál és a tatnál.

Tengely és légcsavar

Az olyan alkatrészek, mint a hajócsavarok és a tattengelyek, többnyire rézötvözetekből készülnek, amelyek potenciálkülönbséget mutatnak a hajótest acéljával, így hajlamosak a galvánkorrózióra. A hajócsavar agyának közelében kis cső alakú anódokat (például titán alapú platinabevonatú anódokat) szerelnek fel. Ezeket az anódokat ezután szigetelő peremekkel (szigetelési ellenállás ≥1 MΩ) választják el a hajótesttől, hogy megakadályozzák az ICCP áram interferenciáját a tengely földelő rendszerével, és biztosítsák a tengelypotenciál -0.85 V és -1.0 V közötti szabályozását.

Ballaszttartályok és tenger alatti szelepszekrények

A ballaszttartályok hajlamosak a mikrobiális korrózióra a váltakozó nedves és száraz körülmények, valamint az oxigénhiányos környezet miatt. A tartályok belsejébe szalag alakú MMO anódok szerelhetők be, amelyek epoxi bevonattal kombinálva kompozit védelmet képeznek. A tenger alatti szelepszekrények a turbulens korrózió magas kockázata miatt nagy tisztaságú anódok (például titánalapú platinabevonatú anódok) sűrű elrendezését igénylik, 150-200 A/m² tervezett áramsűrűséggel a lokális védelem fokozása érdekében.

Telepítési előírások

Az anódokat a hajótest homokfúvott fémfelületére kell felszerelni, biztosítva a < 0.01 Ω elektromos érintkezési ellenállást. Rögzítéshez hegesztés ajánlott (a csavaros rögzítéshez vezetőképes tömítéseket kell hozzáadni). Az anódokat távol kell tartani a precíziós berendezésektől, például a szonároktól és a mélységmérőktől az elektromágneses interferencia elkerülése érdekében. Az anódok közötti távolságot az aktuális lefedettségi tartomány alapján kell meghatározni, jellemzően 15-20 m, ügyelve arra, hogy ne legyenek holtterek. A referenciaelektródától való távolságnak ≥2 m-nek kell lennie, hogy elkerüljük az anód elektromos mezőjének potenciálmérésével való interferenciát. Az MGPS anódtól való távolságnak ≥10 m-nek kell lennie a galvánkorrózió elkerülése érdekében. Az anódkábeleknek tengervízálló szigetelt kábeleknek (például neoprén gumiburkolatú kábeleknek) kell lenniük, a kábelcsatlakozásoknak pedig vízállónak és tömítettnek kell lenniük, ≥10 MΩ szigetelési ellenállással. A kábelek elvezetésénél kerülni kell a hajótest éles részeit, hogy megakadályozzuk a navigáció során a kopást.