ICCP katodisk beskyttelse for broer

Broer er utsatt for det naturlige miljøet over lengre perioder og står overfor alvorlige korrosjonstrusler – saltspray og kloridioner fra det marine miljøet, avisingsmidler, syre- og alkaliforurensninger, og oksygen og fuktighet fra atmosfæren. Katodisk beskyttelse er allment anerkjent som en av de mest effektive metodene for å hemme korrosjon av metallkonstruksjoner, og den er delt inn i to hovedkategorier: offeranodebeskyttelse og påtrykt strømbeskyttelse (ICCP). Blant disse er katodisk beskyttelse med påtrykt strøm (ICCP) Systemet regulerer aktivt strømutgangen gjennom en ekstern strømkilde, noe som gir betydelige fordeler som et bredt beskyttelsesområde, justerbar strømintensitet, tilpasningsevne til komplekse miljøer og lang levetid (opptil 50 år eller mer). Det har blitt den foretrukne korrosjonsbeskyttelsesløsningen for sjøbroer, store bybroer og kystbroer.

I broen ICCP-systemer, må hjelpeanoder oppfylle krav som lavt forbruk, høy konduktivitet, motstand mot tøffe miljøer (f.eks. høyt alkaliinnhold, høyt saltinnhold, vekslende våte og tørre forhold), mekanisk styrkekompatibilitet og sterk kompatibilitet med brostrukturen. Anoder er hovedsakelig delt inn i følgende fire kategorier:

(I) Anoder for blandet metalloksid (MMO)

Blandede metalloksidanoder er for tiden den mest brukte anodetypen i bro-ICCP-systemer. Kjernestrukturen deres består av et titansubstrat belagt med edle metalloksider som iridium, tantal og rhodium, noe som gir betydelige fordeler innen høy konduktivitet, sterk korrosjonsbestandighet og lang levetid.

MMO-anoder har enestående viktige ytelsesparametere: driftsstrømtettheten kan nå 100 A/m², noe som langt overstiger den for tradisjonelle anodematerialer; forbruket er ekstremt lavt i miljøer som betong, sjøvann og saltholdig jord; og den designede levetiden overstiger vanligvis 30 år. Dette samsvarer godt med broens designede levetid.

Nettanoder: Ved å bruke MMO-belagt titannett kan disse legges over store områder på brodekker, innervegger i kassebjelker osv. Den jevne strømutløsningen overvinner effektivt strømskjermingseffekten forårsaket av tett armering, noe som gjør den spesielt egnet for totalbeskyttelse av armerte betongkonstruksjoner med store arealer.

Stavformede anoder: vanligvis 10–20 mm i diameter og 1–3 m i lengde, de kan bygges inn i forhåndsbestemte betongspor eller bores inn i konstruksjonen. De beskytter spesifikt kritiske lastbærende komponenter som bropilarer og pælefundamenter;

Rørformede/lineære anoder: De har god fleksibilitet og kan legges langs konturene til brokomponenter, egnet for konstruksjoner med kompleks krumning (som brotårn og bueribber).

Kjernefordelen med MMO-anoder ligger i deres ekstremt sterke miljøtilpasningsevne. De opprettholder stabil ytelse i svært alkaliske betongmiljøer, marine miljøer med høy saltspray og tidevannssoner med vekslende våte og tørre forhold. Det er for tiden den foretrukne anodetypen for langsiktig korrosjonsbeskyttelse av broer. Hovedbegrensningen er den relativt høye startkostnaden.

(II) Anoder av støpejern med høyt silisiuminnhold

Anoder av støpejern med høyt silisiuminnhold er et modent anodemateriale som brukes i tradisjonelle katodiske beskyttelsessystemer med påtrykt strøm. Hovedkomponentene er jern og silisium (innhold 14–18 %), og noen modeller tilsetter legeringselementer som krom og molybden for å forbedre korrosjonsmotstanden. Det har moderat kostnad, høy styrke og god temperaturbestandighet.

Korrosjonsmotstanden til anoder av støpejern med høyt silisiuminnhold stammer fra den tette oksidfilmen som dannes av silisium og jern. Den kan operere stabilt i jord-, ferskvanns- og sjøvannsmiljøer, og er spesielt egnet for miljøer med høye kloridionkonsentrasjoner (som undervannsfundamenter for sjøbroer). Driftsspenningsområdet er bredt (vanligvis ≤50V).

I broapplikasjoner brukes ofte støpejernsanoder med høyt silisiuminnhold i stav- eller rørform, og krever vanligvis koksfylling for å danne et jordlag for anoden for å redusere jordingsmotstanden. Typiske bruksområder inkluderer beskyttelse av nedgravde eller undervannskonstruksjoner som fundamenter for bropeler og diafragmavegger, men langvarig bruk i tørre miljøer bør unngås (da passiveringsfeil er sannsynlig). Levetiden til støpejernsanoder med høyt silisiuminnhold er vanligvis 20–30 år, og kostnaden er lavere enn for MMO-anoder, noe som gjør dem til et viktig valg som balanserer ytelse og økonomi. De er imidlertid tyngre og krever viss installasjonsplass og konstruksjonsteknikker.

(III) Karbonbaserte anoder

Karbonbaserte anoder bruker karbonmaterialer som grafitt og koks som kjernekomponenter, hovedsakelig inkludert grafittanoder og fleksible karbonfiberanoder. Kjernefordeler ligger i god ledningsevne og lav kostnad.

Grafittanoder er den mest brukte typen karbonbasert anode, og har høy konduktivitet og kjemisk stabilitet, noe som gjør dem egnet for applikasjoner med høy strøm (som beskyttelse av store broklynger). Grafittanoder produseres vanligvis i blokk-, stang- eller plateformer og må brukes sammen med koksfylling for å redusere jordingsmotstand og mekanisk slitasje. De har relativt lav mekanisk styrke og er sprø, noe som gjør dem utsatt for brudd under transport og installasjon, og forbrukshastigheten er relativt rask i svært oksiderende miljøer. Deres designlevetid er vanligvis 15–25 år, noe som gjør dem egnet for ikke-kritiske brokomponenter eller midlertidige beskyttelsesoppgraderinger.

Working Prinsipp

Kjernen i broens ICCP-system er å tvinge den elektrokjemiske polarisasjonstilstanden til brostrukturen (hovedsakelig armeringsstålet) til å endre ved å bruke en ekstern likestrømsforsyning. Likestrømsstrømmen gjør den til katoden i den elektrokjemiske kretsen, og hemmer dermed forekomsten av anodiske reaksjoner (metallkorrosjon). Anoden, som strømutløserende, er nøkkelen til å realisere denne kretsen.

(I) Elektrokjemisk korrosjonshemming

Korrosjonen av armeringsstål i broer er i hovedsak elektrokjemisk: I et fuktig miljø danner armeringsstålet (hovedsakelig jern) utallige små galvaniske celler med urenheter (som karbon), fuktighet og oksygen i betongen. Armeringsstålet fungerer som anode og gjennomgår en oksidasjonsreaksjon. Jernatomer mister elektroner for å generere Fe²⁺, som deretter kombineres med oksygen og vann i miljøet for å danne rust (FeO・nH₂O), noe som får armeringsstålet til å utvide seg og betongen til å skalle av. De elektrokjemiske reaksjonene er som følger:

Anode (stålforsterkningskorrosjon): Fe – 2e⁻ → Fe²⁺
Katode (korrosjonsfremmende): 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 forsyner likestrøm gjennom en ekstern potensiostat, som kobler anoden til den positive terminalen på strømforsyningen og broens stålarmering til den negative terminalen, og dermed etablerer en omvendt elektrokjemisk krets. På dette tidspunktet forsyner potensiostaten kontinuerlig elektroner til armeringsstålet, og polariserer overflatepotensialet til en stabil tilstand under korrosjonspotensialet (vanligvis krever det -850 mV vs. CSE eller oppfyller et 100 mV polarisasjonsforfallskriterium). Fe-oksidasjon (anodisk reaksjon) forekommer ikke lenger på ståloverflaten, og hemmer dermed fullstendig korrosjonsprosessen.

Kriterier for anodevalg

Valg av anode krever omfattende vurdering av brostrukturtype, driftsmiljø, beskyttelseskrav, levetid og økonomisk effektivitet. Spesifikke beslutningskriterier er som følger:

KorrosjonsnivåFor marine miljøer (broer over havet, kystbroer) og områder med salt jord, foretrekkes MMO-anoder eller kromholdige støpejernsanoder med høyt silisiuminnhold på grunn av deres sterke motstand mot kloridionkorrosjon. For tørre innlandsområder kan grafittanoder eller fleksible karbonfiberanoder velges for å balansere kostnad og ytelse.

StructureFor store plane konstruksjoner som brodekker og kassebjelker foretrekkes MMO-nettanoder. For nedgravde/undervannskonstruksjoner som bropilarer og pelefundamenter kan MMO-stanganoder eller anoder av støpejern med høyt silisiuminnhold brukes. For komplekse krumningskonstruksjoner som brotårn og bueribber er MMO-lineære anoder eller fleksible karbonfiberanoder egnet.

Nåværende krav og levetidFor store broer med en levetid på ≥ 30 år (som sjøbroer og hovedbroer i byområder) foretrekkes MMO-anoder. For broer med middels levetid (20–30 år) foretrekkes MMO-anoder. For broer med middels strømkrav (f.eks. årsstrøm) kan anoder av støpejern med høyt silisiuminnhold velges; for midlertidig beskyttelse eller lokale reparasjoner kan grafittanoder brukes.

KonstruksjonsbegrensningerFor områder med trange rom eller komplekse strukturer bør fleksible anoder eller modulære MMO-anoder som er enkle å installere prioriteres. For brodekkeområder som må tåle kjøretøylaster, må anodene ha høy mekanisk styrke, og fortykkede MMO-nettanoder med et slitesterkt beskyttende lag kan velges.