Fråga alla som har tittat på en stålpålvägg i en tidvattenflod i ett decennium så får du höra samma historia. Strukturen ser bra ut i flera år, och sedan uppstår sektionsförluster precis under lågvatten, precis där ingen kan se det. Katodiskt skydd och offeranoder finns för att avbryta den historien. De är ingen ny teknik och de är inte komplicerade när man väl tar bort jargongen, men de är också lätta att specificera dåligt. Den här guiden går igenom hur de två metoderna fungerar, hur ett anodsystem dimensioneras i praktiken och där hela samtalet förändras när själva väggen är gjord av polymer snarare än stål.

Vad katodiskt skydd faktiskt gör

Stål korroderar eftersom det bildar en elektrokemisk cell med sin omgivning. En del av ytan beter sig som en anod och avger järnjoner i vattnet eller jorden och frigör elektroner. En annan del beter sig som en katod, där dessa elektroner förbrukas. Elektrolyten (havsvatten, bräckt vatten, våt jord) bär jonströmmen och stålet självt bär den elektroniska strömmen. Ta bort något av dessa tre element och korrosionsstopp.

Katodiskt skydd tar itu med problemet från den elektriska sidan. Istället för att låta stålet försörja sina egna elektroner vid de anodiska platserna matar man in elektroner från en extern källa. De aktiva områdena trycks in i ett katodiskt, passivt tillstånd. I själva verket stoppar du inte korrosionsreaktionen så mycket som att du ger den någon annanstans att hända.

Det finns bara två sätt att tillföra dessa elektroner. Antingen ansluter man stålet till en mer reaktiv metall som korroderar i dess ställe (en offeranod, eller galvanisk, anod), eller så driver man ström in i strukturen från en strömkälla genom inerta anoder (påtryckt strömkatodiskt skydd, vanligtvis förkortat till ICCP).

Hur en offeranod fungerar

En offeranod är helt enkelt en metallklump som är mindre ädel än stålet den skyddar. Anslut de två elektriskt, lägg båda i samma elektrolyt, och anoden blir den korroderande ytan. Stålpålar i en brygga är ofta försedda med armband av zink eller aluminiumlegering bultade på banan, eller svetsade avståndsfästen på fenderlinjen. Anoden löses långsamt; högen förblir intakt.

Eftersom drivspänningen kommer från potentialskillnaden mellan de två metallerna behövs ingen extern ström. Det är den stora styrkan hos galvaniska system och även deras tak. Spänningen är liten, så strömmen som når en avlägsen eller välbelagd yta är begränsad, och anoden har en ändlig massa som förbrukas under designlivslängden. När anoderna är borta är skyddet borta, varför ersättningstillträde är lika viktig som den initiala beräkningen.

Matcha anodmetallen med vattnet

Anodval handlar mest om elektrolyten. Resistivitet, salthalt, temperatur och löst syre förändrar alla valet, och att göra fel innebär vanligtvis antingen bortkastad massa eller, ännu värre, överskydd som skadar beläggningen det var tänkt att hjälpa.

Magnesium lämnas medvetet utanför havsvattenraden. Dess högre drivspänning är användbar i torr, resistiv jord, men i saltvatten kan den pressa stålpotentialen tillräckligt negativt för att generera väte vid ytan och blåsa beläggningen. Det konsumeras också snabbare än vad matematiken antyder. Zink och aluminiumlegeringar är den marina världens arbetshästar av just detta skäl.

Offeranoder eller imponerad ström?

För en enda kort spontvägg med rimlig åtkomst för dykare eller en liten båt är galvaniska anoder svåra att slå. Det finns ingen transformatorlikriktare att hysa, inga kablar att skydda, ingen strömförsörjning som går sönder, och systemet är i princip underhållsfritt tills anoderna behöver bytas ut.

ICCP vinner på större strukturer. En lång brygga med hundratals pålar, eller en struktur där anoderna sitter i avlägsna slädar på havsbotten, behöver mer ström än vad ett galvaniskt system kan leverera. Imponerade strömanoder, typiskt blandad metalloxidbelagd titan eller grafit, kan drivas med en mycket högre spänning och uteffekten kan justeras när beläggningen försämras eller miljön förändras. I utbyte accepterar du högre kapitalkostnader, ett permanent effektbehov, övervakningsutrustning och ett system som en kompetent operatör måste ta hand om.

En rimlig tumregel: om den nuvarande efterfrågan är blygsam och strukturen är kompakt, förbli galvanisk. Om du skyddar tusentals kvadratmeter stål och vill ha en kontrollpanel istället för flera ton aluminium, titta på imponerad ström.

Dimensionering av ett system: ström, area och tid

Varje design börjar med den nuvarande efterfrågan, och den nuvarande efterfrågan börjar med vått område:

• Beräkna den nedsänkta och nedgrävda ytan av stål som ska skyddas.
• Multiplicera med en designströmtäthet för den miljön, vanligtvis uttryckt i milliampere per kvadratmeter.
• Tillämpa en beläggningsnedbrytningsfaktor om stålet är målat, för en beläggning som är 95 procent intakt idag kommer inte att vara det om femton år.

En snabb illustration. Sexhundra kvadratmeter rent stål i havsvatten vid 25 mA/m² behöver ungefär 15 A. För att hålla det i tjugo år behöver du cirka 2,6 miljoner amperetimmar laddning, vilket vid 2 000 Ah/kg motsvarar cirka 1,3 ton anodmaterial av aluminiumlegering innan någon utnyttjandefaktor tillämpas. Det är siffran som förvånar människor som antog att anoder var ett litet tillbehör.

Två dimensioner styr två olika saker. Anodlängden, och därmed ytarean, anger hur mycket ström anoden kan trycka ut när som helst. Anods tvärsnitt, och därför massa, anger hur länge den kan fortsätta göra det. En lång tunn anod ger hög ström för en kort livslängd; en kort fet ger motsatsen. Bra design balanserar både mot det bytesintervall ägaren faktiskt kan leva med.

Gränser värda att veta innan du anger

Katodiskt skydd fungerar bara där det finns en kontinuerlig elektrolyt och en fri elektrisk väg. Det skapar några praktiska gränser:

• Stänkzonen och allt ovanför kan inte skyddas, eftersom det inte finns något vatten för att leda strömmen. Det bandet behöver beläggningstjocklek, en korrosionstillåtelse eller ett helt annat material.
• Avskärmade ytor, som stål gömt bakom en tät stänkskärm eller instängd i en springa, får lite eller ingen ström oavsett hur många anoder du har i närheten.
• Straxströmmar från närliggande svetsapparater, spårvagnssystem eller andra CP-installationer kan accelerera korrosion på oskyddat stål snarare än att förhindra den.
• Överskydd är ett riktigt felläge. För mycket ström skadar beläggningar, slösar bort anodmassa och, på höghållfasta stål, väcker väteförsprödning.

Vad detta betyder för polymerspont

Här är den del av samtalet som ofta hoppas över. Katodiskt skydd skyddar stål. En vinyl- eller PVC-spontvägg är ett dielektriskt material: det finns inget järn som avger joner, ingen elektrokemisk cell att avbryta och ingen anod som skulle kunna göra någonting användbart även om du skruvade fast en på panelen. När ett projekt går över från stål- till polymerspont försvinner oftast det katodiska skyddspaketet helt, tillsammans med likriktaren, den årliga undersökningen och anodbytesprogrammet.

Det gör inte polymer till svaret på alla problem. Den måste väljas för rätt belastning, rätt jord och rätt exponering, och väggen behöver fortfarande en vettig design. Men där drivkraften för skyddet var kloridangrepp, bräckt vatten eller en mycket lång underhållshorisont, ekonomin för korrosionsbeständiga PVC-spont ser ofta väldigt annorlunda ut än en stålvägg plus tjugo års anodbyte.

En varning från verkstaden: många så kallade polymerväggar innehåller fortfarande stål. Dragstänger, ankarplattor, valsar och anslutningsfästen är ofta galvaniserat eller belagt stål och förblir helt exponerade för samma elektrokemi som beskrivs ovan. Dessa komponenter kan fortfarande förtjäna anoder, eller ett materialbyte, även när själva sponten är inert. Vi ser detta oftast på vinylspontväggar i marina verk , där panelerna är av polymer men förankringen bakom väggen inte är det.

Övervakning och underhåll i vanliga termer

Ett galvaniskt system kan kontrolleras med en referenselektrod och en högimpedansvoltmeter. För stål i havsvatten är ett vanligt acceptanskriterium en potential på cirka -0,80 V mot en silver/silverkloridreferens, eller en 100 mV förskjutning från frikorrosionspotentialen uppmätt före installation. Oavsett vilket kriterium designen använder, registrera de första avläsningarna, eftersom de är den enda baslinjen som någonsin kommer att existera.

Undersökningar är vanligtvis årliga eller två gånger om året. De användbara utgångarna är skyddspotential längs väggen, anodförbrukning mot den förväntade hastigheten och alla tecken på att beläggningen har brutit ner snabbare än antagit. Om anoderna äts upp snabbare än förväntat underskattades den nuvarande efterfrågan och eftermonteringen måste ske innan skyddet faller bort.

Frågor vi hör från projektteam

Kan jag lägga till anoder på en befintlig vägg?

Ja, och det är vanligt. Armband och stand-off anoder kan monteras av dykare, och fjärranodsystem kan placeras på havsbotten i närheten. Begränsningen är vanligtvis åtkomst och tillståndet för det befintliga stålet, inte teorin.

Behöver jag katodiskt skydd om stålet är väl belagt?

En bra beläggning minskar strömbehovet dramatiskt, men det tar inte bort behovet av skydd vid varje defekt, kant och svets. Designkoder antar en beläggningsnedbrytningsfaktor av just detta skäl.

Behöver en polymervägg något korrosionsskydd överhuvudtaget?

Det gör inte panelerna, men varje stålkomponent i systemet gör det ändå. Kontrollera ankarna, anslutningarna och allt som förblir vått.

Tio år av att bygga spontväggar har lärt oss att korrosionsbeslut vanligtvis fattas tidigt, med ofullständig information, och sedan lever med i årtionden. Om ditt projekt är på väg mot ett katodiskt skyddspaket, storleksanpassa det ordentligt och budgetera för ersättning från dag ett. Om det är på väg mot en stålfri vägg, se till att hela systemet är stålfritt, inte bara den del du kan se från vattnet. Hur som helst, vi pratar gärna igenom den materiella sidan av beslutet med dina ingenjörer.