Phương pháp sử dụng anode hy sinh: Dùng kim loại hay hợp kim đứng trước trong chuỗi điện phân để tạo ra điện thế bảo vệ ngăn cản phản ứng điện hóa xảy ra ở kim loại cần bảo vệ.. Phương p
Trang 1Chương 3 Chống ăn mòn bằng phương pháp bảo vệ catốt
3.1 Mở đầu
Cơ sở lý thuyết của phương pháp bảo vệ catốt và ăn mòn điện hóa
Hệ thống bảo vệ catốt gồm 3 bộ phận:
- kết cấu cần được bảo vệ (cathode),
- anốt cung cấp sự bảo vệ, và
- chất điện phân (chẳng hạn như nước biển)
Thông thường có 2 loại anốt được sử dụng
Anốt hy sinh được chế tạo từ hợp kim kẽm, nhôm hoặc các vật liệu tương tự là những kim loại mạnh hơn so với sắt hoặc thép trong dãy galvanic Do vậy, các anốt hy sinh sẽ bị ăn mòn tại vị trí của kết cấu cần được bảo vệ (Hình 1)
Hình 1 Anode hy sinh
Impressed current anodes appl y a potential difference by means of an external power supply, Fig lb During the electrochemical corrosion process, several anodic (oxidation) and cathodic (reduction) reactions occur
Anốt dòng điện ngoài thiết lập sự chênh lệch hiệu điện thế bằng thiết bị cung cấp điện từ bên ngoài (Hình 2) Trong quá trình ăn mòn điện hóa các phản ứng oxi hóa
ở anốt (oxidation) và phản ứng khử (reduction) ở catốt xảy ra
Hình 1 Anode dòng điện ngoài
Trang 2Phương pháp sử dụng anode hy sinh:
Dùng kim loại (hay hợp kim) đứng trước trong chuỗi điện phân để tạo ra điện thế bảo vệ ngăn cản phản ứng điện hóa xảy ra ở kim loại cần bảo vệ
Phương pháp sử dụng dòng điện cưỡng bức
Nguyên lý tương tự như trên, nhưng sử dụng dòng điện ngoài có sẵn
Phản ứng oxi hóa cơ bản trong ăn mòn công trình biển là:
(1)
và phản ứng khử cơ bản là:
(2) Khi kết cấu được kiểm soát bằng hệ thống bảo vệ catốt thích hợp thì phản ứng anốt (ăn mòn) được chuyển từ kết cấu sang anốt hy sinh hoặc anốt sử dụng dòng điện ngoài
Dòng điện sẽ ngược lại với quá trình điện hóa này và kết cấu trở thành catốt nơi xảy
ra phản ứng (2) Trong trường hợp anốt hy sinh (chẳng hạn kẽm), vật liệu làm anốt tan ra do sự chênh lệch điện thế sẵn có giữa anốt và kết cấu
Tuy nhiên, việc sử dụng "trơ" cho anode trong bảo vệ cathode bằng dòng điện gây
ra một phản ứng tạo khí (tức là hydrogen) xảy ra trên anode (mà không làm ăn mòn kim loại) và phản ứng cực âm (cathodic reaction) xảy ra trên cấu trúc được bảo vệ
Một khái niệm quan trọng nữa trong việc bảo vệ ca-tốt là có một thế năng (thế năng nhiệt động hồi phục) tối thiểu phải được vượt quá trước khi bất kỳ phản ứng xảy ra (và do đó trước khi dòng điện bất kỳ có thể xảy ra)
Để mô tả một hệ thống bảo vệ cathode bằng toán học, không phải chỉ là lập phương trình biểu diễn dòng điện truyền qua môi trường (ví dụ như nước biển), mà còn cần lập nên các phương trình biểu diễn các phản ứng điện cực
Các hình thức của phương pháp bảo vệ catốt
Trang 3Hình 1 Bảo vệ catốt bằng anốt hy
sinh
Hình 2 Bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài
Áp dụng thực tế: kết hợp với sơn phủ
3.2 Bảo vệ catốt bằng anốt hy sinh
Hai yêu cầu cơ bản của thiết kế:
- Tổng khối lượng tịnh của Anốt phải đủ để đáp ứng nhu cầu dòng điện tổng cộng trong suốt đời sống thiết kế
- Bề mặt tiếp xúc với bên ngoài của Anốt phải đủ để cung cấp dòng điện yêu cầu
ở cuối đời sống thiết kế (khu vực phải đủ để đáp ứng nhu cầu dòng điện kết thúc cuộc sống thiết kế, bề mặt tiếp xúc với bên ngoài của Anốt được tính từ kích thước ban đầu Anốt, khối lượng tịnh, và hệ số sử dụng anốt)
Nội dung bài toán thiết kế anốt hy sinh:
Số liệu thiết kế:
* Loại Protector
* Các thông số bảo vệ của Anode thiết kế :
+ Điện dung của anode (A.h/kg) ([1], Bảng 10.6)
+ Hệ số sử dụng của anode u ([1], Bảng 10.8)
+ Tuổi thọ thiết kế tf = X năm (theo đơn hàng)
* Các thông số về kết cấu cần bảo vệ: bản vẽ thiết kế
Tính toán số lượng Anode :
Các điều kiện để tính toán số lượng Anode theo [1]:
Điều kiện 1: Tổng khối lượng Anode lớn hơn khối lượng yêu cầu Ma theo mục 7.7.1, trang 17, [1]:
cm f a
I t 8760
u.
trong đó:
cm
I - Dòng điện yêu cầu trung bình, được xác định theo mục 7.4.1, [1]:
I i f A
Trang 4với:
c
i - Mật độ dòng điện thiết kế (A/m2), phụ thuộc nhiệt độ môi trường và độ sâu nước biển (tra bảng 10.2, [1])
c
f - Hệ số phá hủy sơn (mục 6.4.2, [1]): fc a b.t
a, b - Các thông số phụ thuộc vào đặc tính của sơn và độ sâu nước (tra bảng 10.4, [1])
f
tt - Tuổi thọ công trình (năm)
Ac - Diện tích bề mặt kết cấu cần bảo vệ (m2)
f
t - Tuổi thọ thiết kế (năm)
u - Hệ số sử dụng anode
- Điện dung đơn vị của anode (A.h/kg)
8760: Số giờ sử dụng/năm
Điều kiện 2 ([1], mục 7.8.4): Dòng điện cung cấp ban đầu của anode (Ia tot i) phải lớn hơn dòng điện yêu cầu trong suốt đời sống công trình (Ici), tức là:
a tot i ai ci
trong đó Iai - dòng điện cung cấp ban đầu của một anode
Điều kiện 3 ([1], mục 7.8.4): Dòng điện cung cấp sau thời gian khai thác tf (năm) của anode (Ia tot f) phải lớn hơn dòng điện yêu cầu trong suốt đời sống công trình (Icf ) , tức là:
a tot f af cf
I N.I I
Dòng điện cung cấp ban đầu và sau thời gian khai thác tf (năm) của một anode
là (mục 7.8.2, [1]):
a i
ai
I
R
a f
af
I
R
trong đó :
0
c
E - Thế điện cực bảo vệ tối thiểu để bảo vệ thép trần khỏi bị ăn mòn (mục 5.4, [1]):
0 c
E 0,8 V 0
a
E - Thế điện cực thiết kế tại đầu anode theo định cực so sánh Ag/AgCl/nước biển,
0 a
E 1,05V ai
R ,Raf - Điện trở ban đầu và sau thời gian khai thác tf (năm) của anode, phụ thuộc vào loại anode, xác định theo bảng 10.7 và mục 7.9.2, [1]
Theo bảng 10.7, [1], Rai,Raf được tính toán theo các công thức và phụ thuộc vào
L - chiều dài anode, - mật độ điện trở của môi trường, bán kính đặc trưng của anode
Trang 5Điều kiện 4 ([1], mục 7.8.4): Điện dung cung cấp tổng cộng của Anode
(Ca tot) phải lớn hơn điện dung yêu cầu như sau:
a tot a cm f
C N.C I t 8760
(4)
Trình tự xác định số lượng Anode theo các điều kiện của [1]
- Bước 1: Từ điều kiện (1), số lượng anode là : 1 Ma
N
m
với m - khối lượng của một anode đã chọn Xác định điện dung cung cấp của 01 anode theo công
thức (5)
Bước 2: Với số lượng anode đã chọn ở bước 1, thực hiện kiểm tra các điều
kiện 2, 3 và 4
+ Điều kiện 2: Ia tot i N.Iai Ici
+ Điều kiện 3: Ia tot f N.Iaf Icf
+ Điều kiện 4: Ca tot N.Ca Icm f.t 8760
Nếu một trong 3 điều kiện kiểm tra không thỏa mãn thì phải chọn lại loại anode
Bố trí lắp đặt anode trên công trình
Việc lắp đặt các anode phải tuôn theo các chỉ dẫn của Tiêu chuẩn, [3] Ví dụ,
đối với Jacket khoảng cách đặt anode đến các nút không được nhỏ hơn
600mm
Tài liệu thiết kế
Báo cáo chi tiết (mục 7.13, [1]) bao gồm các mục sau đây:
Thiết kế cơ sở (bao gồm cả tham chiếu đến tất cả các chi tiết kỹ thuật dự án có
liên quan, mã số và các tiêu chuẩn)
Tính toán diện tích bề mặt (bao gồm cả tài liệu tham khảo cho tất cả các bản
vẽ có liên quan, bao gồm sửa đổi số)
Tính toán dòng điện cần có (ban đầu / cuối đời sống công trình)
- Tính toán dòng điện rò rỉ (nếu có), (ban đầu / cuối đời sống công trình và
trung bình)
Các tính toán khối lượng tịnh yêu cầu tối thiểu anode
Tính toán điện trở Anode (ban đầu và / hoặc cuối đời sống công trình)
Tính toán số lượng tối thiểu của anodes yêu cầu (bao gồm cả dòng điện anode
và điện dung ban đầu và cuối đời sống của hệ thống)
Tính toán khối lượng anode mạng dựa trên số lượng yêu cầu
của anode (nếu có cao hơn so với khối lượng yêu cầu anode net)
Cách tính dòng điện tổng cộng dựa trên số lượng và loại / kích thước được
lắp đặt
Trang 6vẹn và sự liên tục của dòng điện Mọi yêu cầu các yếu tố sử dụng cao hơn các giá trị mặc định trong Bảng 10-8 sẽ được đánh dấu)
Bản vẽ bố trí Anode
Các quy định liên tục của dòng điện, bao gồm cả cách kiểm tra (nếu có thể)
3.3 Bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài
* Sơ đồ nguyên lý:
* Vật liệu Anode: Sử dụng các vật liệu bền, trơ: Than chì, sắt-Silic (hight silicon cast iron),bạch kim, gốm phủ oxít;
- Đối với anode đặt trong đất thì đất lấp thường được bổ sung thêm than để tăng tính dẫn điện và dễ thoát khí;
* Dòng điện cưỡng bức có thể lấy từ nguồn điện lưới 1 pha hay 3 pha, qua thiết bị nắn dòng thành 1 chiều;
- Ngoài ra, có thể sử dụng các nguồn khác như phong điện, điện mặt trời …
Nội dung của tính toán theo phương pháp chống ăn mòn bằng dòng điện ngoài:
- Xác định tổng dòng điện yêu cầu
- Xác định tổng điện trở
- Xác định điện thế của nguồn điện ngoài: V=I.R
Trong tài liệu “Introduction to Cathodic Protection” - J Paul Guyer, et all trình bày 13 bước tính toán và thiết kế hệ thống bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài
3.4 So sánh giữa 2 phương pháp bảo vệ bằng anốt hy sinh và
bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài
Phương pháp chống ăn mòn
bằng anốt hy sinh
Phương pháp chống ăn mòn
bằng dòng điện ngoài
- Không yêu cầu dòng điện ngoài
- Hệ thống đơn giản (không cần nguồn
điện, biến áp, dây dẫn v.v)
- Hệ thống làm việc tốt khi điện trở của
môi trường thấp, công trình được sơn kỹ,
công trình có thể tiếp cận được, sơn phủ
không bị hỏng quá nhiều sau 5-10 năm
- Có thể lắp đặt dễ dàng trên các công
trình di động
- Có thể thiết kế với điện áp và dòng điện lớn
- Cung cấp được công suất bảo vệ lớn (Ampere/năm)
- Cung cấp diện tích bảo vệ lớn
- Có thể điều chỉnh dòng điện và điện áp bảo vệ để phù hợp với sự thay đổi của môi trường và công trình
- Có thể dễ dàng kiểm tra dòng điện và điện áp bảo vệ
Trang 7- Có thể áp dụng cho công trình không
có sơn phủ hoặc sơn phủ kém
* Một số trường hợp không dùng anode hy sinh do những yếu tố sau:
- Do dòng cung cấp bởi anode hạn chế;
- Thông thường không thể bảo vệ bề mặt thép lớn không sơn phủ;
- Giá thành anode có thể cao;
- Khi diện tích bảo vệ tăng lên, anode không đáp ứng được yêu cầu bảo vệ;
- Dòng điện cung cấp bởi anode có thể giảm theo thời gian do sự phát triển của tảo, bùn, chất lắng đọng…;
- Khó kiểm tra sự hoạt động của anode hy sinh
Tài liệu tham khảo
- Recommended Practice DNV-RP-B401: CATHODIC PROTECTION DESIGN, January 2005
- DNV-RP-B101_CORROSION PROTECTION OF FLOATING
PRODUCTION AND STORAGE UNITS_2007
- API RP 2A-WSD - Recommended Practice for Planning, Designing and
Constructing Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design_Oct 2007
Trang 823 - 41 Willowdale Place, Aberdeen, AB24 5AQ
AF ‘Defender’ Anodes Al-Zn-In
Aluminium Anodes - Sub-sea Structure, Harbour walls& Jetties (2)
Examples of Central Core extension or ‘cow horn’ design
Anode
Code
Anode
(mm)
Anode
(mm)
Anode
(mm)
Core Diameter (mm)
Anode Weight (kg) Net/Gross*
AFA 1190 1530 184 159 60 119/131
AFA 1190 1526 184 159 25 119/127
AFA 1200 2600 135 135 40 120/155
AFA 1480 2200 145 145 40 148/182
AFA 1480 2750 160 162 60 148/167
AFA 1680 2550 185 185 114 168/230
AFA 2400 2622 210 210 114 240/305
AFA 2600 2295 210 220 60 260/280
AFA 3300 2372 252 244 114 330/390
AFA 4350 2910 254 257 114 565/640
Aluminium and Zinc Castings Aluminium Offshore Anodes • Zinc & Al Marine Hull Anodes
•Tank Anodes • Pipeline Anodes • Down-hole Centralisers and Clamps • Ballast Weights
06/06/2005 Rev 5.0Al data cowc
Anode materials/ manufacturing according to Det Norske Veritas DNV RP B401
* gross weight with 150mm core extensions each end (as shown in solid) Other
insert bend configurations and tubular inserts available
‘Defender’ aluminium sacrificial anodes can be custom designed to suit
your application We offer a selection of alloys, dimensions and inserts to
suit your corrosion protection and fabrication requirements
Contact us to discuss your requirements
www.aberdeenfoundries.co.uk Sales@Aberdeenfoundries.co.uk
Tel: 01224 635435 Fax 01224 624377
Trang 923 - 41 Willowdale Place, Aberdeen, AB24 5AQ
Aluminium and Zinc Castings • Aluminium Offshore Anodes • Zinc & Al Marine Hull Anodes
AF ‘Defender’ Rigid Pipe Aluminium Bracelet Anodes
Examples
Anode
Code
Design
Rigid pipes
Anode ID (mm)
Anode
OD (mm)
Length (mm)
Anode Weight (kg) Net/Gross
AFA B1200
Fully Bolt on
or One side Hinges Tapered ends Coninuity straps;
Epoxy coat inside neoprene liner optional
411 491 804 120/142
Anode
Code
Rigid Pipes
Anode ID (mm)
Anode
OD (mm)
Length (mm)
Anode Weight (kg) Net/Gross
AFA B1420
Weld On –/ Square end 614 754 400 142/162
* All weights and dimensions are nominal
Material Specification:
AF Defender G3 AF Al-Zn-In-Si anode alloy
0.12 max 0.08-0.21 0.006 max 2.8 – 6.5 0.01 – 0.02 0.02 max remainder
Potential –1.09* Volts Ag/AgCl Capacity (Amp Hrs) 2540* per Kg min Density 2750Kg/m3
* AFDefender G3 alloy performance Data for long term test by DNV Certificate No S-4190 to DNV RP B401 Appendix B
