Teknologi for katodisk beskyttelse med offeranoder i sink har blitt mye brukt i broindustrien. Så tidlig som i 1824 oppdaget den britiske vitenskapsmannen Humphry Davy det elektrokjemiske beskyttelsesprinsippet for offeranoder og anvendte det på korrosjonsbeskyttelse av britiske marinefartøy. Etter nesten et århundre med teknologisk iterasjon er et komplett standardsystem, designmetoder, konstruksjonsprosesser og drifts- og vedlikeholdsløsninger etablert.
Sammenlignet med andre offeranodematerialer som magnesium- og aluminiumanoder, har sinkofferanoder mange fordeler, inkludert moderat potensial, høy strømeffektivitet, jevn oppløsning, motstand mot passivering, ingen risiko for overbeskyttelse og miljøvennlighet. De er mye brukt for korrosjonsbeskyttelse av mange kritiske komponenter i broer, som pelefundamenter, landkar, pilarer, stålkassebjelker, kabelforankringssoner og lagre.
Arbeidsprinsipp for offeranoder
Offeranoder fungerer ved å «aktivt ofre seg selv for å erstatte det korroderte legemet», og blir dermed en «elektrokjemisk erstatning» for stålkonstruksjonen, og forhindrer dermed korrosjon ved kilden. Den stabile elektrodepotensialforskjellen mellom sinkofferanoden og stålet: I et standardmiljø ved 25 ℃ er standardelektrodepotensialet for sink -0.763 V (vs. SHE, standard hydrogenelektrode). Standardelektrodepotensialet for jern er -0.440 V (vs. SHE). Sinks potensial er betydelig mer negativt enn jerns, noe som gjør at det spontant kan løses opp, fortrinnsvis som en anode i et elektrolyttmiljø, og gir en kontinuerlig beskyttelsesstrøm for stålkonstruksjonen.
Elektrokjemiske egenskaper
Den beskyttende ytelsen til sinkofferanoder bestemmes av deres kjerneelektrokjemiske egenskaper. Elektrokjemisk ytelse påvirker direkte anodens strømutgang, levetid, effektivitet og miljøtilpasningsevne. Internasjonale autoritative standarder har satt klare tekniske krav til dem.
Elektrodepotensial og drivspenning
Elektrodepotensial er kjerneindikatoren for å måle den elektrokjemiske aktiviteten til sinkanoder, og er delt inn i åpen krets-potensial og lukket krets-potensial. I kunstig sjøvann ved 25 °C, for en type I sinklegeringsanode som samsvarer med ASTM B418-16a-standarden, bør åpen krets-potensialet nå -1.10 V (vs. CSE, mettet kobbersulfat-referanseelektrode). Lukkede krets-potensialet bør ikke være lavere enn -1.03 V (vs. CSE). Det naturlige korrosjonspotensialet til stål i et nøytralt miljø er omtrent -0.60 V til -0.80 V (vs. CSE). Potensialforskjellen mellom disse to er drivspenningen. Den stabile drivspenningen til en sinkanode er omtrent 0.20 V til 0.25 V, noe som gir stabil strøm for flyten av beskyttelsesstrømmen.
Sammenlignet med magnesiumanoder (drivespenning omtrent 0.60 V ~ 0.70 V), har sinkanoder en moderat drivespenning, tilstrekkelig til å oppfylle beskyttelseskravene i de fleste korrosive bromiljøer. De unngår overbeskyttelsesproblemer forårsaket av for høye drivespenninger, og forhindrer dermed hydrogenforsprøhet i stålkonstruksjoner. Sammenlignet med aluminiumanoder viser sinkanoder bedre potensiell stabilitet, er mindre utsatt for passivering i miljøer med lav strømningshastighet og lavt kloridioninnhold, og har en mer stabil strømutgang.
Kapasitans og strømeffektivitet
Teoretisk kapasitet refererer til den totale mengden elektrisitet som kan frigjøres når en enhetsmasse av sinkanode oppløses fullstendig. Den teoretiske kapasiteten til sink er 820 Ah/kg, betydelig høyere enn for magnesiumanoder (1220 Ah/kg), men lavere enn for aluminiumanoder (2980 Ah/kg). I praksis påvirkes den faktiske kapasiteten til sinkanoder av faktorer som legeringselementer, miljømedium og driftstemperatur, og kan ikke nå den teoretiske verdien. Strømeffektivitet (faktisk kapasitet / teoretisk kapasitet × 100 %) brukes vanligvis til å måle anodens utnyttelseseffektivitet.
I henhold til GB/T 4950-2021, «Zinc Alloy Sacrificial Anodes», bør strømeffektiviteten til sinkanoder i sjøvann være minst 90 %, og til og med over 95 %; i jordmiljøer bør strømeffektiviteten være minst 65 %; og i ferskvannsmiljøer bør strømeffektiviteten være omtrent 70 %–80 %. Standarden DNVGL-RP-F103-2016 fastsetter at den faktiske kapasitansen til sinkanoder i sjøvann skal være minst 780 Ah/kg, og i marine gjørmemiljøer minst 750 Ah/kg. Denne indikatoren er kjernegrunnlaget for å beregne levetiden til anoder i broteknikk.
Oppløsnings- og forbrukshastighet
Sinkofferanoder av høy kvalitet bør ha jevn oppløsning. Korrosjonsprodukter bør være løse og lette å løsne, for å forhindre dannelse av en tett passiveringsfilm på anodeoverflaten og sikre en kontinuerlig og stabil strømutløsning. I henhold til ASTM B418-16a bør oppløsningen av sinkanoder være jevn, uten lokalisert intergranulær korrosjon, og anodeoverflaten bør ikke ha et tett lag med korrosjonsprodukter som er vanskelig å løsne.
Forbruksraten refererer til massen av elektrisitet som forbrukes av anoden per 1 A·år kraftproduksjon. Dette er en nøkkelparameter for å designe anodebruk. I sjøvann er den teoretiske forbruksraten for sinkanoder 11.88 kg/(A·år), mens den faktiske forbruksraten er omtrent 12.0–12.5 kg/(A·år). I jordmiljøer er den faktiske forbruksraten omtrent 15–18 kg/(A·år), betydelig lavere enn for magnesiumanoder, og reduserer dermed mengden anoder som brukes og installasjonsarbeidsmengden for samme designlevetid.
Temperaturens innflytelse på elektrokjemisk ytelse
Den elektrokjemiske ytelsen til sinkanoder er svært følsom for omgivelsestemperatur. Dette er en nøkkelegenskap som må tas i betraktning i deres tekniske anvendelser. Ved romtemperatur (≤40 ℃) viser sinkanoder stabilt potensial, høy strømeffektivitet og jevn oppløsning. Når omgivelsestemperaturen overstiger 49 ℃, segregerer aluminium ved korngrensene til sinklegeringen, noe som starter intergranulær korrosjon og forårsaker en betydelig reduksjon i anodens strømeffektivitet. Når temperaturen når den kritiske terskelen på 54 ℃, endres elektrodepotensialet til sink positivt, og det skjer til og med polaritetsreversering – sinkanoden omdannes til en katode, og stålstrukturen blir anoden, som gjennomgår korrosjon, noe som fører til fullstendig svikt i katodisk beskyttelsessystem.
Derfor er det strengt forbudt å bruke sinkanoder i brokonstruksjoner i miljøer med langvarige temperaturer over 49 ℃. For broer i tropiske områder eller miljøer med høy temperatur i nærheten av industrianlegg, bør sinkanoder velges med forsiktighet. Sørg for at anodens driftstemperatur alltid er under 40 ℃.
Tjenestemiljø
Broteknikk opererer i komplekse og mangfoldige miljøer, alt fra ferskvann i innlandet til kystnære marine miljøer, fra tørr jord til salt-alkalisk land, og fra atmosfæriske til undervannsmiljøer. Ulike elektrolyttmiljøer påvirker direkte den elektrokjemiske oppførselen og den beskyttende effekten til sinkanoder. Dette er kjernegrunnlaget for valg og design av anoder.
Marint miljø
Det marine miljøet er det mest korrosive miljøet innen brokonstruksjon. Sjøvann inneholder omtrent 3.5 % natriumklorid, med høyt kloridioninnhold og lav konduktivitet (resistivitet omtrent 20–30 Ω·cm), noe som gjør det til et ideelt miljø for sinkanoder. I den fullstendig nedsenkede sjøvannssonen passiveres ikke sinkanoder lett og løses opp jevnt. Strømeffektiviteten kan nå over 90 %, noe som muliggjør en kontinuerlig og stabil utgang av beskyttelsesstrøm, og de er mye brukt i stålrørspiller, undervannsstøtter og stålsenkjerner for kryssende broer.
I tidevanns- og sprutsoner står stålkonstruksjoner overfor en rekke utfordringer, fra vekslende våte og tørre forhold, sterk skuring og korrosjon med høy konsentrasjon av kloridioner. Korrosjonshastigheten er 3–5 ganger høyere enn i den fullstendig nedsenkede sonen. Sinkanoder opprettholder god elektrokjemisk aktivitet i tidevannssonen, og når de kombineres med kraftige korrosjonsbeskyttelsesbelegg, forlenger de levetiden til stålkonstruksjoner i tidevannssonen betydelig.
Ferskvannsmiljø
Ferskvannsmiljøer i innlandselver og innsjøer har høy resistivitet (vanligvis 100–1000 Ω·cm) og et innhold av oppløst oksygen som er høyere enn sjøvann. Strømeffektiviteten til sinkanoder synker litt til omtrent 70–80 %, men opprettholder fortsatt en stabil potensiell utgang, noe som gjør dem egnet for ferskvannsmiljøer med resistivitet ≤15 Ω·m.
For undervannspelefundamenter og stållandkabler i broer som krysser elver og innsjøer, optimaliseres anodens strømutgang ved å bruke strimmelformede sinkanoder for å øke det eksponerte arealet og bruke ledende fyllstoff for å redusere kontaktmotstanden. For ferskvannsmiljøer med resistivitet over 20 Ω·m bør magnesiumanoder foretrekkes, eller et katodisk beskyttelsessystem med påtrykt strøm bør brukes.
Jordmiljø
Fundamentkonstruksjoner i broer, som pelefundamenter, landkar og forankringer, er eksponert for jordmiljøet over lengre perioder. Jordmotstand, pH-verdi, fuktighetsinnhold, kloridioninnhold og sulfatinnhold påvirker direkte den beskyttende ytelsen til sinkanoder. Sinkanoder er egnet for nøytrale, svakt sure og svakt alkaliske jordmiljøer med resistivitet ≤15 Ω·m. De viser utmerkede beskyttende effekter, spesielt i lavresistiv jord som kystnære saltjordarter og sumpjordarter.
Når sinkanoder brukes i jordmiljøer, må de brukes sammen med et spesialisert ledende fyllstoff. Fyllstoffet reduserer kontaktmotstanden mellom anoden og jorden, opprettholder et fuktig elektrolyttmiljø rundt anoden og forhindrer anodepassivering. Standard fyllstoffformulering er: 75 % gipspulver, 20 % bentonitt og 5 % natriumsulfat. Denne formuleringen reduserer effektivt anodens jordingsmotstand og forbedrer strømeffektiviteten.
Betongmiljø
Armert betong er den mest brukte konstruksjonen innen broteknikk. Betong i seg selv er sterkt alkalisk (pH 12–13) og danner en tett passiveringsfilm på overflaten av armeringsstålet, som beskytter det mot korrosjon. Men når faktorer som kloridionerpenetrasjon og betongkarbonatisering skader denne passiveringsfilmen, oppstår elektrokjemisk korrosjon av armeringsstålet.
Sinkanoder er de eneste offeranode materialer som kan støpes direkte inn i betong. Hovedårsaken er at sink har en ekstremt lav volumutvidelseshastighet for korrosjonsprodukter i motsetning til. magnesium og aluminium anoder, sink forårsaker ikke sprekker i betongen på grunn av korrosjonsproduktutvidelse, og forårsaker dermed ingen skade på betongkonstruksjonen.
Typer av sinkofferanoder
Offeranoder av sink kan klassifiseres på ulike måter. I brotekniske applikasjoner klassifiseres de vanligvis basert på to kjernedimensjoner: legeringselementer og form, og aktuelle scenarier. Ulike typer sinkanoder har forskjellige tekniske egenskaper og bruksområder. Nøyaktig valg er nødvendig basert på parametere som broens strukturelle egenskaper, driftsmiljø og levetid.
ASTM B418-16a Type I sinklegeringsanode
Type I sinklegeringsanoder er de mest brukte i brokonstruksjon. Legeringselementene er sink, aluminium og kadmium. Aluminiuminnholdet er 0.1 % ~ 0.5 %, kadmiuminnholdet er 0.025 % ~ 0.07 %, og sink er resten. Innholdet av urenheter som jern, kobber og bly er strengt kontrollert. Spesifikt er jerninnhold ≤ 0.005 %, blyinnhold ≤ 0.006 % og kobberinnhold ≤ 0.005 %.
Legeringselementene spiller en avgjørende rolle i å optimalisere anodens ytelse: aluminium forfiner kornstørrelsen, forbedrer anodens strømeffektivitet og hemmer intergranulær korrosjon. Kadmium senker anodens korrosjonspotensial, forbedrer aktiveringsytelsen, forhindrer dannelsen av en passiveringsfilm på anodeoverflaten og sikrer stabil strømutgang i komplekse miljøer.
De viktigste tekniske egenskapene til type I sinklegeringsanoder: Åpen kretspotensial i sjøvann er -1.10 V (vs. CSE). Faktisk kapasitans ≥780 Ah/kg, strømeffektivitet ≥90 %. Den løses opp jevnt, viser sterk motstand mot passivering og er egnet for de fleste bromiljøer, inkludert sjøvann, ferskvann og jord med lav resistivitet. Det er den foretrukne anodetypen innen broteknikk, og er mye brukt i stålkonstruksjonspælefundamenter, landkar og pilarer i sjøbroer og elvebroer i innlandet.
ASTM B418-16a Type II ren sinkanode
Høyrenhetszinkanoder av type II er høyrenhetszinkanoder med et sinkinnhold på ≥99.99 %. Innholdet av alle legerings- og urenhetselementer er strengt begrenset: aluminium ≤0.005 %, kadmium ≤0.003 %, jern ≤0.0014 %, bly ≤0.003 % og kobber ≤0.002 %.
Sammenlignet med type I sinklegeringsanoder, tilbyr type II høyrene sinkanoder overlegen motstand mot intergranulær korrosjon og høy temperaturstabilitet. Maksimal brukbar temperatur er 50 ℃, høyere enn 40 ℃ for type I-anoder. Dessuten er høyrene sinkanoder fri for tungmetaller som kadmium og bly, noe som gjør dem miljøvennlige og forhindrer forurensning av vann og jord. De er egnet for broer nær drikkevannskilder og broprosjekter i økologisk sensitive områder.
Strømeffektiviteten til type II høyrente sinkanoder er litt lavere enn for type I sinklegeringsanoder. Strømeffektiviteten i sjøvann er omtrent 85–90 %, men kostnaden er relativt høy. Den brukes hovedsakelig i broprosjekter med høye miljøvernkrav og utsatt for kortsiktige temperatursvingninger.
Zn-Al-Cd
Zn-Al-Cd er den vanligste kvaliteten for brokonstruksjon i Kina, og er egnet for korrosjonsbeskyttelse av stålkonstruksjoner i sjøvann, ferskvann og jordmiljøer.
Zn-Al
Kadmiumfri, miljøvennlig sinkanode. Aluminiuminnholdet er 0.3 %–0.6 %. Egnet for ferskvanns- og jordmiljøer med høye miljøkrav. Unngår kadmiumforurensning.
Zn-Mn
Har utmerket passiveringsmotstand, er egnet for ferskvann og fuktige betongmiljøer, og er mye brukt for korrosjonsbeskyttelse av armerte betongbrokonstruksjoner.
Zn-Al-Mg-In
En ny type høyaktivert sinkanode med høyere strømeffektivitet og passiveringsmotstand, egnet for ferskvann med høy resistivitet og lett forurenset jordmiljøer.
Armbåndstype sinkanode
Armbåndslignende sinkanoder er den mest brukte anodetypen for fundamenter av undervannsbropeler og stålrørpeler. De har en halvsirkelformet ringstruktur, med to halvringer forbundet med bolter, noe som muliggjør direkte festing til armeringsstålrammen til sirkulære stålrørpeler eller betongpelefundamenter.
Indre diameter, tykkelse og lengde på sinkanoder av armbåndstypen kan tilpasses i henhold til fundamentets diameter på pelen, krav til beskyttelsesstrøm og levetid. Vekten av en enkelt anode varierer vanligvis fra noen få kilo til flere hundre kilo.
Bruksområder: Korrosjonsbeskyttelse av stålrørspeler og forspente betongrørspeler i fullstendig nedsenkede og tidevannssoner på broer som krysser hav, elver og innsjøer; korrosjonsbeskyttelse av sylindriske konstruksjoner som dypvannsbropilarer, stålsenkjerner og stålkofferdammer; korrosjonsbeskyttelse av pelefundamenter for bryggebroer og broer over innlands vannveier.
Anodene er jevnt fordelt langs fundamentaksen til pelene, vanligvis med 2–5 m mellomrom. I områder med høy korrosjonsrisiko, som tidevannssoner og mudderlinjer, bør avstanden økes til 1–2 m. Kontaktflatene på de to halvringene skal passe tett, og boltene skal strammes godt.
Blokker/plate sinkanoder
Blokk-/platesinkanoder er den mest allsidige anodetypen som brukes i brokonstruksjon. De er vanligvis støpte konstruksjoner i rektangulære, trapesformede eller skiveformede former. De kan festes til overflaten av broens stålkonstruksjon via sveising eller bolting.
Blokk-/platesinkanoder har en enkel struktur, lave kostnader og fleksible spesifikasjoner, og kan tilpasses i henhold til beskyttelsesområdet og strømkravene. Vekten av en enkelt anode varierer fra 1 kg til hundrevis av kg; den trapesformede tverrsnittsanoden gir en stabil strøm, noe som gjør den til den foretrukne strukturen for broer i marine miljøer.
Bruksområder: Korrosjonsbeskyttelse av store stålkonstruksjoner, som inner- og yttervegger i stålkassebjelker, stålfagverk og stålbueribber. Fullstendig korrosjonsbeskyttelse mot nedsenking av undervanns landkar, stålsenkekasser og forankringsstålkonstruksjoner for sjøbroer. Lokal korrosjonsbeskyttelse av kritiske komponenter som brolagre, ekspansjonsfuger og kabelforankringssoner. Anoder bør fordeles jevnt på overflaten av den beskyttede stålkonstruksjonen, med en avstand på vanligvis 3–8 m.
Båndsinkanoder
Båndsinkanoder er fleksible anoder produsert ved ekstrudering. De har vanligvis et rektangulært tverrsnitt, en tykkelse på 0.8–10 mm og en bredde på 10–200 mm. De har vanligvis en innebygd kobber- eller stålkjerne for å forbedre konduktiviteten og den mekaniske styrken.
Kjernestrukturelle egenskaper: Det eksponerte arealet per masseenhet er mye større enn for blokkanoder, noe som muliggjør utgang av en større beskyttelsesstrøm i miljøer med høy resistivitet. De er svært fleksible, noe som gjør det enkelt å bøye og vikle, og tilpasser seg ujevne og trange rom; de kan kuttes til riktig størrelse i henhold til kravene på stedet, noe som forenkler installasjonen.
Bruksområder: Korrosjonsbeskyttelse av armerte betongbrodekker, kassebjelker og pilarer; de kan støpes direkte inn i betong og plasseres langs armeringsjernenes retning. Lokal korrosjonsbeskyttelse i trange rom og komplekse konstruksjoner som brolagre, ekspansjonsfuger og innebygde deler. Brukes for å eliminere spredt strømkorrosjon i stålbrokonstruksjoner i elektrifiserte jernbanebroer og broer under høyspentledninger. Båndanoder bør kobles pålitelig til armeringsjernene, med en avstand på vanligvis 0.5~2 m. Jordingsmotstanden bør være ≤4Ω.
Konklusjon
Sinkanoder oppnår fullstendig katodisk polarisering av den beskyttede stålkonstruksjonen gjennom «selvovoppofrelse og fortrinnsrett oppløsning», noe som fundamentalt hemmer korrosjonsreaksjoner. Denne artikkelen beskriver de viktigste elektrokjemiske egenskapene til sinkanoder, inkludert elektrodepotensial, strømeffektivitet og oppløsningsegenskaper, samt deres elektrokjemiske oppførsel i ulike bromiljøer som sjøvann, ferskvann, jord og betong. Sinkanoder for broapplikasjoner er omfattende klassifisert i henhold til legeringselementer, form og aktuelle scenarier, med detaljerte beskrivelser av de strukturelle egenskapene til fire hovedtyper: armbåndsformede, blokkformede og strimmelformede anoder.
Referanse
[1] ASTM B418-16a(2021), Standardspesifikasjon for støpte og smidde galvaniske sinkanoder[S]. West Conshohocken: ASTM International, 2021.
[2] DNVGL-RP-B401-2017, Katodisk beskyttelsesdesign [S]. Oslo: DNV GL, 2017.
[3] DNVGL-RP-F103-2016, Katodisk beskyttelse av undersjøiske rørledninger [S]. Oslo: DNV GL, 2016.
[4] NACE SP0387-2014, Metallurgiske krav og inspeksjonskrav for støpte galvaniske anoder for offshore-applikasjoner [S]. Houston: NACE International, 2014.
[5] EN 12496-2013, Galvaniske anoder for katodisk beskyttelse i sjøvann og saltholdig slam[S]. Brussel: Den europeiske standardiseringskomiteen, 2013.
[6] ISO 12696:2020, Katodisk beskyttelse av stål i betong [S]. Genève: Den internasjonale standardiseringsorganisasjonen, 2020.
[7] AS 2239-2003(R2016), Galvaniske (offer-)anoder for katodisk beskyttelse[S]. Sydney: Standards Australia, 2016.
[8] Stone C, Glass G, Bewley D. Ytelse og vurdering av galvaniske anoder i betongkonstruksjoner [J]. Korrosjonshåndtering, 2024, 1-2: 25-30.
[9] Lee D, Jeong J A. Undersøkelse av det effektive området for katodisk beskyttelse for betongpæleprøver ved bruk av sinknettanode [J]. Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 2022, 46 (2): 195–202.
[10] Vedeld K, Sæther I, Vennesland Ø. Katodisk beskyttelse av marine forspente betongbroer – Gjennomgang av casestudier [J]. Nordisk betongforskning, 2024, 71 (2): 113–124.
[11] Xuan B B. Forskning på produksjon av sinkofferanoder for korrosjonsbeskyttelse av stålkonstruksjoner [D]. Ho Chi Minh-byen: University of Technology – Vietnam National University-HCMC, 2025.
[12] Iannuzzi M, Frankel G S. Karbonavtrykket av stålkorrosjon [J]. Materials Degradation, 2022, 6 (1): 1-12.
