ICCP katodisk beskyttelse for skip

Skip står stadig overfor de alvorlige utfordringene i det svært korrosive marine miljøet. I korrosjonsbeskyttelsesteknologisystemet for skip er katodisk beskyttelse en av de mest sentrale og effektive metodene. Den er hovedsakelig delt inn i to kategorier: offeranoder og imponerte nåværende katodisk beskyttelse (ICCP). Offeranoder gir beskyttelse ved å løse opp et mer negativt ladet metall (som sink eller aluminiumslegeringer). Selv om offeranoder er rimelige og enkle å installere, har de ulemper som begrenset strømutgang, kort levetid (2–3 år) og behov for periodisk utskifting, noe som gjør dem uegnet for de langsiktige beskyttelsesbehovene til store skip (over 50 000 tonn).

Katodiske beskyttelsessystemer med påtrykt strøm regulerer aktivt beskyttelsesstrømmen gjennom en ekstern likestrømsforsyning. De tilbyr fordeler som høy utgangseffekt, bredt beskyttelsesområde, lang levetid (15–20 år) og dynamisk tilpasningsevne til endringer i det marine miljøet, noe som gjør dem til den vanlige beskyttelsesløsningen for moderne store og avanserte skip.

Merknader:

1. Potensielle parametere er basert på Ag/AgCl-referanseelektroden.
2. Kostnadssammenligningen er beregnet basert på initialinvestering for samme verneområde (100 m²).
3. Miljøtilpasningsevnen bør justeres i henhold til faktiske parametere (temperatur, saltinnhold, strømningshastighet) i fartøyets operasjonsområde. Det anbefales å bruke dette sammen med den adaptive reguleringsfunksjonen til en potensiostat.

Kjernekravene for hjelpeanoder i marine ICCP-systemer er: høy konduktivitet, lavt polarisasjonsoverpotensial, motstand mot sjøvannskorrosjon, høy mekanisk styrke og lang levetid, samtidig som de skal kunne tåle tøffe driftsforhold som støt og vibrasjoner fra vannstrømmer under skipsnavigasjon. For tiden er vanlige marine ICCP-hjelpeanoder hovedsakelig delt inn i følgende tre kategorier:

(I) Platinabelagte titananoder (Pt/Ti-anoder)

Titanbaserte platinabelagte anoder er den mest brukte high-end anodetypen i marine ICCP-systemer. De består av et rent titansubstrat (som gir mekanisk støtte) og et platinalag som er elektrobelagt på overflaten (katalytisk ledende lag). Kjernefordelen deres ligger i platinas høye elektrokjemiske stabilitet og lave polarisasjonsegenskaper – i sjøvannsmiljøer vil ikke platinalaget oppløses eller korrodere, og tjener kun som et medium for elektronoverføring, med et polarisasjonsoverpotensial ≤0.3 V (ved en strømtetthet på 100 A/m²).

Platinalagtykkelsen på titanbaserte platinabelagte anoder for marine applikasjoner må være ≥5 μm, med et ekstremt lavt forbruk (≤1 g/A・a), og en designlevetid på 15–20 år. Titanbaserte platinabelagte anoder for marine applikasjoner kan bearbeides til forskjellige former som plater, rør og strimler for å passe til forskjellige installasjonssteder som skrog, baug og akterenden.

Denne typen anode er egnet for store containerskip, tankskip, LNG-tankere og andre fartøy med høye beskyttelseskrav og lang levetid, spesielt egnet for store skrogbeskyttelsesscenarier som krever jevn strømfordeling. På grunn av den høye prisen på platina er imidlertid den opprinnelige investeringskostnaden for titanbaserte platinabelagte anoder relativt høy.

(II) Titananoder med blandet metalloksid (MMO-anoder)

Blandede metalloksidanoder Bruk titan som substrat, belagt med et blandet belegg av metalloksider som rutenium, iridium og tantal. Det er en høytytende anodetype som har utviklet seg raskt de siste årene, og balanserer høy stabilitet og økonomi. Oksidbelegget har platinalignende katalytisk aktivitet, et lavt polarisasjonsoverpotensial (0.2–0.4 V) og sterk motstand mot klorkorrosjon – i sjøvannselektrolyse gjennomgår anodeoverflaten hovedsakelig en klorutviklingsreaksjon (2Cl⁻→Cl₂+2e⁻), noe som unngår substratkorrosjon.

Beleggtykkelsen på MMO-anoder er vanligvis 20–50 μm. Spesiell beleggteknologi sikrer en tett binding med titansubstratet, noe som resulterer i høy mekanisk styrke, slitestyrke og et forbruk på bare 1/3–1/2 av det for titanbaserte platinabelagte anoder, med en designlevetid på 12–18 år. Sammenlignet med titanbaserte platinabelagte anoder reduserer MMO-anoder produksjonskostnadene med 30–50 %, samtidig som de opprettholder lignende ytelse ved middels strømtetthet (10–30 A/m²), noe som gjør dem til den foretrukne anodetypen for små og mellomstore fartøy og offshoreoperasjoner.

Avhengig av beleggformuleringen kan MMO-anoder deles inn i høy-ruthenium-typen (egnet for scenarier med høy strømtetthet) og høy-iridium-typen (egnet for krav til lang levetid), og kan fleksibelt tilpasses beskyttelsesbehovene til forskjellige beholdere.

(III) Platina/niob-anoder (Pt/Nb-anoder)

Platina/niob-anoder bruker niob som substrat med et platinalag galvanisert på overflaten, og er en spesiell anodetype designet for ekstreme driftsforhold. Niob, som substrat, viser overlegen høytemperaturstabilitet og korrosjonsbestandighet sammenlignet med titan. Selv når skip går inn i høytemperaturhavområder eller opplever lokaliserte høye temperaturer ved anoden, opprettholder det strukturell stabilitet og forhindrer oksidasjonssvikt i substratet.

Denne typen anode har vanligvis en platinalagtykkelse på ≥8 μm, et polarisasjonsoverpotensial på ≤0.25 V og sterk strømføringskapasitet (motstår strømtettheter opptil 50 A/m²). Den er egnet for store FPSO-er, offshore plattformstøttefartøy og andre spesialfartøy som krever langvarig fortøyning og høy beskyttelse, og er spesielt godt egnet for bruk i marine miljøer med store saltholdighetssvingninger og drastiske temperaturendringer. På grunn av den høye prosesseringsvanskeligheten og kostnaden for niobsubstrater er imidlertid bruksområdet for platina/niobiumanoder relativt begrenset, og brukes primært i kritiske beskyttelseskomponenter med ekstremt høye pålitelighetskrav.

Applikasjoner

Bruken av ICCP-påtrykte katodiske beskyttelsesanoder i skip spenner over hele livssyklusen for skipsdesign, konstruksjon, installasjon og drift.

Skipets bunnstruktur

Skroget er det største undervannsbeskyttelsesområdet på et skip. Anoder er vanligvis anordnet symmetrisk langs skrogets lengderetning, med 2–4 plateformede anoder hver ved baug og akterenden, og én anode hver 15–20 meter i midskipsområdet for å sikre jevn dekning av beskyttelsesstrømmen. For store oljetankskip og containerskip kan en kombinasjon av «hovedanode + hjelpeanode» brukes. Hovedanoden gir den generelle beskyttelsesstrømmen. Hjelpeanodene gir forbedret beskyttelse for områder med høy korrosjon, som nær vannlinjen og ved baug og akterenden.

Aksling og propell

Komponenter som propeller og akteraksler er for det meste laget av kobberlegeringer, som har en potensialforskjell i forhold til skrogstålet, noe som gjør dem utsatt for galvanisk korrosjon. Små rørformede anoder (som titanbaserte platinabelagte anoder) er installert i nærheten av propellnavet. Disse anodene isoleres deretter fra skroget via isolerende flenser (isolasjonsmotstand ≥1MΩ) for å forhindre ICCP-strømforstyrrelser med akselens jordingssystem og sikre at akselpotensialet kontrolleres mellom -0.85V og -1.0V.

Ballasttanker og undervannsventilbokser

Ballasttanker er utsatt for mikrobiell korrosjon på grunn av vekslende våte og tørre forhold og oksygenfattige miljøer. Strimleformede MMO-anoder kan installeres inne i tankene, kombinert med et epoksybelegg for å danne en komposittbeskyttelse. Undervannsventilbokser krever, på grunn av den høye risikoen for turbulent korrosjon, et tett arrangement av anoder med høy renhet (som titanbaserte platinabelagte anoder), med en dimensjonerende strømtetthet på 150–200 A/m², for å forbedre lokalisert beskyttelse.

Installasjonsspesifikasjoner

Anodene må installeres på den sandblåste metalloverflaten av skroget, og sikre en elektrisk kontaktmotstand på < 0.01Ω. Sveising foretrekkes for feste (ledende pakninger må legges til for boltfeste). Anodene bør holdes unna presisjonsutstyr som sonar og dybdemålere for å unngå elektromagnetisk interferens. Avstanden mellom anodene bør bestemmes basert på strømdekningsområdet, vanligvis 15–20 m, slik at det ikke er noen blindsoner. Avstanden fra referanseelektroden bør være ≥2 m for å unngå interferens med potensialmåling fra anodens elektriske felt. Avstanden fra MGPS-anoden bør være ≥10 m for å forhindre galvanisk korrosjon. Anodekablene må være sjøvannsbestandige isolerte kabler (som neopren-gummikappede kabler), og kabelforbindelsene må være vanntette og forseglede, med en isolasjonsmotstand på ≥10 MΩ. Kabelføringen bør unngå skarpe deler av skroget for å forhindre slitasje under navigasjon.