Galvaniese anodes

'n Galvaniese anode, of opoffer-anode, is die hoofkomponent van 'n galvaniese katodiese beskermingstelsel wat gebruik word om begraafde of onderwater-metaalstrukture teen korrosie te beskerm.

Hulle word gemaak van 'n metaallegering met 'n meer "aktiewe" potensiaal (meer negatiewe reduksiepotensiaal / meer positiewe elektrodepotensiaal) as die metaal van die struktuur. Die verskil in potensiaal tussen die twee metale beteken dat die galvaniese anode korrodeer en in werklikheid "opgeoffer" word om die struktuur te beskerm.

Teorie 
Kortliks, korrosie is 'n chemiese reaksie wat plaasvind deur 'n elektrochemiese meganisme ('n redoksreaksie). Tydens korrosie van yster of staal is daar twee reaksies, oksidasie (vergelyking 1), waar elektrone die metaal verlaat (en die metaal oplos, d.w.s. werklike verlies aan metaal kom voor) en reduksie, waar die elektrone gebruik word om suurstof en water na hidroksied-ione om te skakel (vergelyking 2):
 Fe → Fe2+(aq) +2e-                                                                              (1)
 O2 +2H2O +4e- → 4OH-(aq) +2e-                (2)

In die meeste omgewings kombineer die hidroksied-ione en ysterione om ysterhidroksied te vorm, wat uiteindelik die bekende bruin roes word:
Fe2+(aq) + 2OH-(aq) → Fe(OH)2 (s)               (3)

Soos korrosie plaasvind, vind oksidasie- en reduksiereaksies plaas en elektrochemiese selle word op die oppervlak van die metaal gevorm sodat sommige areas anodies (oksidasie) en sommige katodies (reduksie) sal word. Elektrone vloei vanaf die anodiese areas in die elektroliet soos die metaal korrodeer. Omgekeerd, soos elektrone van die elektroliet na die katodiese areas vloei, word die tempo van korrosie verminder. (Die vloei van elektrone is in die teenoorgestelde rigting as die vloei van elektriese stroom.)

Soos die metaal aanhou korrodeer, sal die plaaslike potensiale op die oppervlak van die metaal verander en die anodiese en katodiese areas sal verander en beweeg. As gevolg hiervan, word in ysterhoudende metale, 'n algemene bedekking van roes oor die hele oppervlak gevorm, wat uiteindelik al die metaal sal verteer. Dit is eerder 'n vereenvoudigde siening van die korrosieproses, want dit kan in verskeie vorme voorkom.

Voorkoming van korrosie deur katodiese beskerming (KB) werk deur 'n ander metaal (die galvaniese anode) met 'n baie meer anodiese oppervlak by te voeg, sodat al die stroom vanaf die bygevoegde anode sal vloei en die metaal wat beskerm moet word katodies word in vergelyking met die anode. Dit stop effektief die oksidasiereaksies op die metaaloppervlak deur dit na die galvaniese anode oor te dra, wat opgeoffer sal word ten gunste van die struktuur onder beskerming. Eenvoudiger gestel, dit trek voordeel uit die relatief lae stabiliteit van magnesium, aluminium of sink metale; hulle los in plaas van yster op omdat hul binding swakker is in vergelyking met dié van yster, wat sterk gebind is via sy gedeeltelik gevulde d-orbitale.

Vir hierdie beskerming om te werk moet daar 'n elektronbaan wees tussen die anode en die metaal wat beskerm moet word (bv. 'n draad of direkte kontak) en 'n ioonbaan tussen beide die oksideermiddel (bv. suurstof en water of klam grond) en die anode, en die oksideermiddel en die metaal wat beskerm moet word, en dus 'n geslote stroombaan te vorm. Om dus bloot 'n stuk aktiewe metaal soos sink aan 'n minder aktiewe metaal, soos sagte staal, in die lug ('n swak ioniese geleier) vas te sit, sal geen beskerming bied nie.

Anode-materiale 

Daar is drie hoofmetale wat as galvaniese anodes gebruik word: magnesium, aluminium en sink . Hulle is almal beskikbaar as blokke, stawe, plate of geëkstrudeerde band. Elke materiaal het voordele en nadele.

Magnesium het die mees negatiewe elektropotensiaal van die drie (sien galvaniese reeks) en is meer geskik vir gebiede waar die elektroliet (grond of water) weerstand hoër is. Dit is gewoonlik op kus-pypleidings en ander begraafde strukture, hoewel dit ook op bote in vars water en in waterverwarmers gebruik word. In sommige gevalle kan die negatiewe potensiaal van magnesium 'n nadeel wees: as die potensiaal van die beskermde metaal te negatief word, kan reduksie van water of gesolveerde protone waterstofatome op die katode-oppervlak ontwikkel, volgens 2H2O + 2e- → 2H + 2OH-(aq)                     (4)

wat lei tot waterstofverbrossing of tot losraak van die deklaag. Waar dit kommerwekkend is, kan sinkanodes gebruik word. 'n Aluminium-sink-tinlegering genaamd KA90 word algemeen gebruik in mariene- en waterverwarmertoepassings.

Sink en aluminium word oor die algemeen in soutwater gebruik, waar die weerstand gewoonlik laer is en magnesium relatief vinnig oplos deur reaksie met water met waterstofontwikkling (selfkorrosie). Tipiese gebruike is in die rompe van skepe en bote, aflandige pypleidings en produksieplatforms, in soutwaterverkoelde mariene enjins, op klein bootskroewe en roere, en vir die interne oppervlakke van opgaartenks.

Sink word as 'n betroubare materiaal beskou, maar is nie geskik vir gebruik by hoër temperature nie, aangesien dit geneig is om te passiveer (die oksiedlaag vorm 'n versperring teen verdere oksidasie). As dit gebeur, kan stroom ophou vloei en die anode ophou werk. Sink het 'n relatief lae dryfspanning, wat beteken dat dit in hoër weerstand gronde of water moontlik nie genoeg stroom kan verskaf nie. In sommige omstandighede — waar daar byvoorbeeld 'n risiko van waterstofverbrossing is — is hierdie laer spanning egter voordelig, aangesien oorbeskerming vermy word.

Aluminiumanodes het verskeie voordele, soos 'n ligter massa, en baie hoër kapasiteit as sink. Hulle elektrochemiese gedrag word egter as nie so betroubaar soos dié van sink beskou nie, en groter sorg moet geneem word met hoe dit gebruik word. Aluminium-anodes sal passiveer waar die chloriedkonsentrasie onder 1 446 dele per miljoen is.

Een nadeel van aluminium is dat as dit 'n geroeste oppervlak tref, 'n groot termietvonk gegenereer kan word; dus word die gebruik daarvan beperk in tenks waar daar plofbare atmosfere kan wees en daar 'n risiko is dat die anode kan val.

Aangesien die werking van 'n galvaniese anode staat maak op die verskil in elektropotensiaal tussen die anode en die katode, kan feitlik enige metaal gebruik word om 'n ander te beskerm, mits daar 'n voldoende verskil in potensiaal is. Ysteranodes kan byvoorbeeld gebruik word om koper te beskerm.

Ontwerp-oorwegings 

Die ontwerp van 'n galvaniese anode KB-stelsel moet baie faktore in ag neem, insluitend die tipe struktuur, die weerstand van die elektroliet (grond of water) waarin dit sal werk, die tipe deklaag en die bedryfslewe.

Die primêre berekening behels hoeveel anodemateriaal benodig word om die struktuur vir die vereiste tyd te beskerm. Te min materiaal kan vir 'n rukkie beskerming bied, maar moet gereeld vervang word. Te veel materiaal sal beskerming bied teen 'n onnodige koste. Die massa in kg word deur vergelyking (5) gegee.
Massa = (Stroom vereis x Ontwerplewe x 8760 ÷ Benuttingsfaktor x Anodekapasiteit) (5)

 Die ontwerpleeftyd is in jare (1 jaar = 8 760 uur).
 Die benuttingsfaktor (BF) van die anode is 'n konstante waarde, afhangende van die vorm van die anode en hoe dit geheg is, wat aandui hoeveel van die anode verbruik kan word voordat dit ophou om effektief te wees. 'n Waarde van 0,8 dui aan dat 80% van die anode verbruik kan word voordat dit vervang moet word. 'n Lang skraal wegstaan-anode (geïnstalleer op pote om die anode weg van die struktuur te hou) het 'n BF-waarde van 0.9, terwyl die BF van 'n kort, gelykvlakkig gemonteerde anode 0.8 is.
 Anodekapasiteit is 'n aanduiding van hoeveel materiaal verbruik word soos stroom oor tyd vloei. Die waarde vir sink in seewater is 780 Ah/kg maar aluminium is 2 000 Ah/kg, wat die laer atoommassa van aluminium weerspieël en beteken dat, in teorie, aluminium baie meer stroom per massa as sink kan produseer voordat dit uitgeput word en dit is een van die faktore wat in ag geneem moet word wanneer 'n spesifieke materiaal gekies word.

Die hoeveelheid stroom wat benodig word, stem direk ooreen met die oppervlakarea van die metaal wat aan die grond of water blootgestel is, dus die aanwending van 'n deklaag verminder die benodigde massa anodemateriaal drasties. Hoe beter die laag is, hoe minder anodemateriaal word benodig.

Sodra die vereiste massa materiaal bekend is, word die spesifieke tipe anode gekies. Verskillende gevormde anodes sal 'n verskillende weerstand teenoor grond hê, wat bepaal hoeveel stroom geproduseer kan word; dus word die weerstand van die anode bereken om te verseker dat voldoende stroom beskikbaar sal wees. As die weerstand van die anode te hoog is, word óf 'n ander vorm óf 'n grootte anode gekies, óf 'n groter aantal anodes moet gebruik word.

Die rangskikking van die anodes word dan so beplan om 'n eweredige verspreiding van stroom oor die hele struktuur te verskaf. Byvoorbeeld, as 'n spesifieke ontwerp toon dat 'n pyplyding  lank 10 anodes benodig, dan sal ongeveer een anode per kilometer meer effektief wees as om al 10 anodes aan die een kant of in die middel te plaas.

Voordele en nadele

Voordele 

 Geen eksterne kragbronne benodig nie.
 Relatief maklik om te installeer.
 Laer spannings en stroom beteken dat die risiko om strooistroominterferensie op ander strukture te veroorsaak, laag is.
 Vereis minder gereelde monitering as opgelegde stroom KB-stelsels.
 Relatief lae risiko vir oorbeskerming.
 Sodra dit geïnstalleer is, is die toets van die stelselkomponente relatief eenvoudig vir opgeleide personeel.

Nadele 

 Stroomkapasiteit beperk deur anodemassa en selfverbruik by lae stroomdigtheid.
 Laer dryfspanning beteken dat die anodes moontlik nie in hoë-weerstandsomgewings werk nie.
 Vereis dikwels dat die beskermde struktuur elektries geïsoleer word van ander strukture en grond .
 Anodes is swaar en sal waterweerstand op bewegende strukture of binnekant van pype verhoog.
 Waar GS-krag beskikbaar is, kan elektriese energie goedkoper verkry word as deur galvaniese anodes.
 Waar groot rangskikkings gebruik word, is bedrading nodig as gevolg van hoë stroomvloei en behoefte om weerstandsverliese laag te hou.
 Anodes moet versigtig geplaas word om te verhoed dat hulle inmeng met watervloei na die skroef.
 Om doeltreffendheid te behou, moet die anodes geïnspekteer en/of vervang word as deel van normale instandhouding.

Koste-effektiwiteit 

Aangesien die anodemateriale wat gebruik word oor die algemeen duurder as yster is, lyk dit dalk nie as besonder kostedoeltreffend om hierdie metode te gebruik om ysterhoudende metaalstrukture te beskerm nie. Oorweging moet egter ook gegee word aan die koste wat aangegaan word om 'n geroeste romp te herstel of om 'n staalpypleiding of tenk te vervang omdat hul strukturele integriteit deur korrosie in die gedrang gebring is.

Daar is egter 'n beperking op die kostedoeltreffendheid van 'n galvaniese stelsel. Op groter strukture, soos lang pyplydings, kan soveel anodes nodig wees dat dit meer koste-effektief sal wees om opgelegde stroom katodiese beskerming te installeer.

Produksie van opoffer-anodes 
Die basiese metode is om opoffer-anodes deur 'n gietproses te vervaardig. Twee gietmetodes kan egter onderskei word.

Die hoëdrukgietproses vir opoffer-anodes is wydverspreid. Dit is 'n ten volle outomatiese masjienproses. Om die vervaardigingsproses betroubaar en op 'n herhaalbare wyse te laat verloop, word 'n wysiging van die verwerkte opoffer-anode-legering vereis. Alternatiewelik word die gravitasie-gietproses gebruik vir die vervaardiging van die opoffer-anodes. Hierdie proses word met die hand of gedeeltelik outomaties uitgevoer. Die legering hoef nie by die vervaardigingsproses aangepas te wees nie, maar is ontwerp vir 100% optimale korrosiebeskerming.

Sien ook 
 Galvaniese korrosie

Verwysings

Bronnelys 
 AW Peabody, Peabody's Control of Pipeline Corrosion, 2de uitgawe, 2001, NACE International.ISBN 1-57590-092-0
 Shreir LL et al., Corrosion Vol. 2, 3de uitgawe, 1994,
 Baeckmann, Schwenck, Prinz. Handbook of Cathodic Corrosion Protection, 3de uitgawe. 1997.ISBN 0-88415-056-9
 Det Norske Veritas-aanbevole praktyk vir katodiese beskermingsontwerp DNV RP-B401-2005

Eksterne skakels 
 

Elektrochemie
Katodiese beskerming
Opoffer-anodes
Korrosie
Materiaalkunde