DE2731976A1

DE2731976A1 - Kathodisches schutzsystem fuer metallische oberflaechen

Info

Publication number: DE2731976A1
Application number: DE19772731976
Authority: DE
Inventors: Rolland C Sabins
Original assignee: Sabins Industries Inc
Current assignee: Sabins Industries Inc
Priority date: 1976-07-22
Filing date: 1977-07-15
Publication date: 1978-01-26
Also published as: GB1536116A; SE7708402L; FR2364275B3; GR65237B; MX149867A; JPS5551033B2; AU2725677A; JPS5316331A; US4089767A; CA1100908A; LU77820A1; BE857069A; DK330477A; NO772608L; AU511765B2; HK55879A; FR2364275A1; NL7708110A

Description

Patentanwalt Dipl.-Ing. GERD LANGE 495 Minden/Westf.

SABINS INDUSTRIES, INC. 2735 East Spring Street

Long Beach. California 90806 USA

Minden / Westf. 14. Juli 1977 Anwaltsakte: 640.201

Kathodisches Schutzsystem für metallische Oberflächen

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Die Erfindung bezieht sich auf ein kathodisches Schutzsystem für metallische Oberflächen im besonderen von dem Seewasser ausgesetzten Schiffsrümpfen. Dabei betrifft sie im besonderen solche Systeme, bei welchen Seewasseraluminiumlegierungsanoden unmittelbar mit der Oberfläche in Verbindung stehen. Es handelt sich dabei um eine neue Anordnung von Komponenten, die zu einer Anodenstruktur zusammengefaßt sein können, wodurch die Oberfläche der Anode als Opferanode aufrechterhalten wird.

Die Korrosion von metallischen Oberflächen, die entweder einer Seewasser— oder Erbodenumgebung ausgesetzt sind, stellt ein erhebliches Problem dar. Öffentliche und private Forschungen sind bereits in großem Rahmen durchgeführt worden, die sich mit dem kathodischen Schutz verschiedener Oberflächen, wie beispielsweise Schiffsrümpfen und unterirdischen Rohrleitungen befassen. Verschiedene Typen von Systemen mit einem vorgegebenen Strom sind bereits mit einem beachtlichen Erfolg eingesetzt worden, wobei jedoch der erhebliche Nachteil hoher Herstellungs-, Montage- und Unterhaltungskosten besteht. Unmittelbar angeschlossene Opferanoden bieten den Vorteil niedriger Kosten für die Herstellung, Montage und Unterhaltung. Derartige Anoden sind eine Zeitlang recht wirkungsvoll, wobei sich jedoch passive Überzüge entwickeln, die ihre Oberflächenpotentiale ändern. Das United States Bureau of Ships hat eine unmittelbar angeschlossene Zinkanode aus hochreinem Zinkmetall entwickelt, die als Military Specification MIL-A-18001 bekannt ist und als die beste gegen-

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wärtig verfügbare angesehen wird. Auch diese hochreine Anode neigt dazu, wenn sie unmittelbar an ein Stahlschiff angeschlossen ist, einen inerten Überzug auf der Oberfläche zu entwickeln, nachdem sie nur wenige Wochen dem Seewasser ausgesetzt ist. Dabei wird das Oberflächenpotential des Zinks herabgesetzt, so daß die Anode den Schiffsrumpf nicht mehr vor Korrosion zu schützen vermag. Man rechnet damit, daß gegenwärtig Zinkopferanoden des einen oder anderen Typs bei etwa 90 % der Schiffe in der Welt eingesetzt werden.

Ein Stand der Technik, der sich mit Opferanoden im allgemeinen und in manchen Fällen mit Zinkanoden zusammen mit Metalloberflächen befaßt, wird in den amerikanischen Patentschriften 3 726 799, 3 485 741, 3 425 925, 1 984 899, 3 048 535, 2 619 455, 3 260 661, 3 047 478, 3 772 179, 3 567 676,

2 779 729, 2 934 485, 3 232 857, 2 882 213, 3 870 615 und

3 227 664 sowie den britischen Patentschriften 11 216, 3 205, 852 154 und 852 154 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Anordnung, die vorzugsweise als Anodenanordnung ausgebildet ist, sowie ein kathodisches Schutzsystem zur Verhinderung der Bildung einer Sperrschicht auf der Oberfläche der Anode zu schaffen, wobei die oben aufgezeigten Nachteile verhindert und im besonderen die Herstellungs-, Montage- und Unterhaltungskosten gering gehalten werden sollen.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein kathodisches

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Schutzsystem für metallische Oberflächen gelöst, bei welchem eine Anodenanordnung einzelner Anoden vorgesehen ist, mit einem Oberflächenpotential, gemessen in bezug auf eine Silber-Silberchloridhalbzelle - welches negativer ist als etwa - 1000 Millivolt, in unmittelbarem Kontakt mit dem Seewasser und in direkter Verbindung mit der Oberfläche, wobei jede der Anoden einen starren Kern eines Materials besitzt, das so ausgewählt ist, daß die Potentialdifferenz zwischen dessen Oberflächenpotential (gemessen in bezug auf eine Silber-Silberchloridhalbzelle) und der Seewasseraluminiumlegierung um mindestens 200 Millivolt größer ist als die entsprechende Potentialdifferenz zwischen der Oberfläche und der Legierung, während das Verhältnis der freien Oberfläche der Legierung zur freien Oberfläche des Kernmaterials nicht größer als etwa 15:1 ist. Bezüglich bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Obwohl die Erfindung allgemein auf metallische Oberflächen anwendbar ist, die einer korrodierenden, elektrolytischen Umgebung ausgesetzt sind, wobei es sich im Erdboden um einen Kontakt mit Bodenelektrolyten oder um Seewasserumgebungen handeln kann, soll die Erfindung im besonderen in bezug auf Eisen oder Stahlschiffe, die Seewasser ausgesetzt sind, beschrieben werden.

Die bevorzugte Anodenanordnung gemäß der Erfindung beinhaltet eine Masse der Opferelektrode aus Seewasseraluminiumlegierungs-

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metall, die sowohl in physikalischem als auch elektrischem Kontakt mit einem geeigneten Aktivatormaterial steht. Der hierin verwendete Begriff "Anode" bezieht sich auf den Opferteil der Anordnung, d. h. die Masse der Seewasserlegierung selbst ausschließlich des Aktivators oder anderer Bestandteile der Anodenanordnung. Nach den meisten Ausführungsformen wird das Aktivatormaterial in bezug sowohl auf die elektrischen als auch die physikalischen Eigenschaften ausgewählt. Im Idealfall ist der Aktivator hinreichend starr und fest, daß er sich in die Formen ausarbeiten laßt, die zur Befestigung eines Anodenelemontos an dem Schiffsrumpf erforderlich sind. Darüber hinaus wurde ermittelt, daß für den Einsatz bei Stahlschiff srümpf en das Oberflächenpotential des Aktivators nicht stärker negativ sein sollte als - 400 Millivolt in bezug auf eine Silber-SilberChloridhalbzelle.

Auf dem Gebiet des kathodischen Schutzes,im besonderen des Schutzes von Stahlgehäusen,war es üblich, die Oberflächenpotentiale der Materialien zu messen in bezug auf eine Standard Silber-Silberchloridhalbzelle. Auf dieser Grundlage wird das Oberflächenpotential von Zink hoher Reinheit mit etwa - 1 030 Millivolt und die Oberfläche des Stahls mit etwa - 630 Millivolt gemessen. Die Potentialdifferenz zwischen Zink und Stahl oder Eisen ist somit nur etwa 400 Millivolt, wovon man weiß, daß diese nicht ausreicht, den Hemmungsprozeß zu vermeiden und zwar auch mit hochreinem Zink. Die Erfahrung hat gezeigt, daß bei einer Aufrechterhaltung einer

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Potentialdifferenz von 750 Millivolt oder mehr zwischen dem Zink und einem anderen Metall, das mit dem Zink ein Element bildet, ein hinreichendes elektrisches Potential dargestellt wird, welches bewirkt, daß die umgebenden Zinkoberflachen fortlaufend in Lösung übergehen. Wenn man den Lösungsprozeß aktiv hält, werden ständig neue Zinkmetallaterne dem Elektrolyten ausgesetzt. Hierdurch ergibt sich ein gewisser Abtragsverlust des Anodenmaterials, wobei jedoch dieser Verlust verhältnismäßig gering ist im Hinblick auf den größeren Abtragsverlust des anderen Metalles in dem Element.

In ähnlicher Weise fallen die Oberflächenpotentiale gewisser spezieller Aluminiumlegierungen in den Bereich von - 1 000 Millivolt bis - 1 300 Millivolt in bezug auf eine Silber-Silberchloridhalbzelle. Derartige Legierungen werden als Seewasserlegierungen klassifiziert, wenn sie gleichzeitig chemische und physikalische Eigenschaften zeigen, die für den Einsatz in Seewasserumgebungen erstrebenswert sind. Diese Legierungen bieten eine Potentialdifferenz in bezug auf den Stahl oder Eisenschiffsrumpf, der mit derjenigen des hochreinen Zinks vergleichbar ist, wobei auch der Verzögerungsprozeß demjenigen des Zinkes ähnlich ist. Die Verwendung eines Aktivierungselementes ist somit bei Seewasseraluminiumlegierungen nützlich, um den Opferlösungsprozeß aktiv zu halten. Es wurde jedoch herausgefunden, daß die Ausbeute (die man definieren kann als die Anzahl von Amperestunden des kathodischen Schutzes in jedem kg des verbrauchten Anodenmaterials) dieser Aluminiumlegierungen wesentlich größer

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ist als bei hochreinem Zink. In der folgenden Tabelle sind die wesentlichen Informationen bezüglich verschiedener Seewasseraluminiumlegierungen, die über die Kaiser Aluminum Company, Oakland, Kalifornien, V.St.A. beziehbar sind, zusammengestellt sind.

Legierungs- Legierungs- Potential Ausbeute

bezeichnunq metalIe in bezug Amperestunden/kg

Aq/Aq/Cl Halbzelle

KA-95 Hg 1050 2 756

KA-46 Zn, Sn 1080 2 205

KA-90 Zn, Sn 1030 2 712

KA-804 Sn (unbekannt)

Die Anwesenheit von Quecksilber betrachtet man für die Anwendung in Seewasser als unerwünscht. Die Seewasserlegierungen von Aluminium mit Zink und Zinn werden dementsprechend für die Verwendung in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Die KA-804 Legierung bietet keinen besonderen Vorteil gegenüber hochreinem Zink und zeigt eine ähnliche Ausbeute. KA-90 ähnliche Legierungen sind ideal für die Außenseite von Schiffsboden mit einer farbüberzogenen Oberfläche; im wesentlichen weil höhere Oberflächenpotentiale zu einer Ablösung der Farbe von den angestrichenen Oberflächen neigen. Für tiefe Tanks, Bohrgestelle und nicht gestrichene Bereiche , wo eine Farbablösung nicht in Betracht zu ziehen ist, zieht man im allgemeinen KA-46 ähnliche Legierungen vor.

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Die Aktivatormaterialien, die sich für die erfindungsgemäße Anoden eignen, und zwar im besonderen für Anoden aus Seewasseraluminiumlegierung oder hochreinem Zink, sollten eine Potentialdifferenz zwischen ihrem Oberflächenpotential und demjenigen der Anode besitzen, das um mindestens 200 Millivolt größer ist als die entsprechende Potentialdifferenz zwischen der Anode und der zu schützenden Oberfläche. Wenn es sich bei der Oberfläche um Stahl handelt, sind die geeigneten Aktivatoren im allgemeinen solche, die in der vorerwähnten Maßeinteilung nicht negativer sind als - 400 Millivolt. Vorzugsweise sollte der Aktivator wesentlich weniger negativ, und zwar in der Größenordnung von — 300 Millivolt oder weniger liegen, um die 750 Millivolt Potentaildifferenz zu erzielen, wobei es sich um die Größenordnung der Betriebspotentialdifferenz handelt, die erforderlich ist, um einen kontinuierlichen Abtrag der Aluminiumlegierungsoberfläche sicherzustellen. Gewisse Kupfer-Zinklegierungen (z. B. Bronzen) können eingesetzt werden, obwohl sie eine Potentialdif ferem. zeigen in bezug auf Aluminium von nur etwa 700 Millivolt. Dementsprechend handelt es sich bei die Aktivierung durch deren Einsatz um einen "Grenzfall" unter dem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung. Nichtsdestoweniger ist auch dieses Aktivierungsniveau sehr dienlich bei der Unterbindung oder Verzögerung des Absetzens einer inaktiven Oberfläche auf der Anode. Eine Potentialdifferenz von weniger als 600 Millivolt ist im allgemeinen nicht zufriedenstellend· Von den meisten Gesichtspunkten ist

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Kupfer ein ideales Material, das etwa ein Oberflächenpotential von -220 Millivolt zeigt, obwohl auch viele andere Materialien eingesetzt werden können, wenn sie nicht zu teuer sind oder unerwünschte physikalische Eigenschaften besitzen. So sind beispielsweise Monelmetall, Silber und Platin einsetzbar, jedoch wegen ihrer hohen Kosten unpraktisch.

Das im Zusammenhang mit der Erfindung bevorzugte Aktivator— material ist Kupfer, da es gute mechanische Eigenschaften zeigt und das erforderliche Oberflächenpotential besitzt. Eine "rote Bronze"-Legierung von Kupfer mit einem Gehalt von etwa 3 Gew.-%, 6 1/2 Gew.-% Zinn und 1 1/2 Gew.-% Blei werden gegenwärtig als ein ideales Aktivatormaterial angesehen. Obwohl Monel einsetzbar ist, ist es im allgemeinen zu teuer. Es können Kohle oder Bleiaktivatoren Verwendung finden. Für derartige Aktivatoren ist eine geringere freie Oberfläche erforderlich als bei Kupfer. Darüber hinaus neigen in jedem Fall diese Materialien dazu, Elektronen von der Oberfläche des Aluminiums in einem Ausmaß auszutreiben, welches einen unmäßig schnellen durch den Aktivator eingeleiteten Abtrag von der Anodenoberfläche bewirkt. Durch "Aktivator eingeleiteten Abtrag" ist der Gewichtsverlust des Anodenmetalls gemeint, der über den galvanischen Metall»· verlust hinausgeht, der auf dem Schutz des Schiffsrumpfes beruht. Die Opfermetallverluste aufgrund des galvanischen Elementes aus einer Anode und dem Schiffsrumpf schwanken beträchtlich in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie

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der Schiffsgeschwindigkeit, der Temperatur und Salzhaltigkeit des Wassers, der Zusammensetzung der Anode usw., wobei sie sich jedoch in jedem Fall von dem Abteag des Anodenmetalles unterscheiden, der allein dem Aktivator selbst zuzurechnen ist. Während ein gewisser, durch den Aktivator bewirkter Abtrag erstrebenswert ist, um die Anode opferbereit in dem galvanischen Element mit dem Schiff zu halten, wird bevorzugt das verhältnis des freien Oberflächenbereiches des Aktivators zu demjenigen des Anodenmetalls so gewählt, damit eine jährliche, auf dem Aktivator beruhende Abtragsgeschwindigkeit (Gewichtsverlust) der Anode unter etwa 10 % und vorzugsweise zwischen etwa 1 % und 5 % gehalten wird.

Die erfindungsgemäße Anode soll normalerweise zwei Jahre lang im Einsatz sein. Anfangs ist die auf dem Aktivator beruhende Abtragsgeschwindigkeit geringer und liegt normalerweise etwa zwischen 1 uid 3 %. Am Ende der Einsatzdauer liegt die auf dem Aktivator beruhende Abtragsgeschwindigkeit höher zwischen etwa 5 und 10 %, infolge der geänderten Oberflächenverhältnisse der Anode zum Aktivator im Laufe des fortschreitenden Abtrages. Die Aktivatoren und Anoden können so geformt sein, daß dieser Tendenz entgegengearbeitet wird, wobei jedoch normalerweise die gesteigerte Abtragsgeschwindigkeit erwünscht ist, um die verstärkte Neigung der Zinkoberfläche,passiv zu werden (was wahrscheinlich auf der Konzentration von Verunreinigungen beruht), auszugleichen. Dementsprechend ist eine Ausbildung der Anode, wie sie in den Zeichnungen dargestellt ist, in starkem Maße bevorzugt. Das Verhältnis der freien

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Ob(?ri lächenbereichedes Aktivators zur Anodenlegierung wird vorzugsweise so ausgewählt, um die Abtragsrate der Anode unter etwa 10 %, vorzugsweise zwischen 1 und 5 % zu halten.

Die Durchführungsweise der Erfindung kann, wie folgt, erläutert werden, obwohl der spezifische Mechanismus keine Konsequenz besitzt, mit der Ausnahme, daß eine Berechnung der Größe des Anodenoberflächenbereichs, die erforderlich ist, um eine bestimmte Flache in einer bestimmten Umgebung zu schützen, erleichtert wird. Geht man davon aus, daß eine Anordnung von KA-90 Seewasseraluminiumanoden mit einem Kupferaktivator an Ort und Stelle mit freien Oberflächen gegossen wird, so ist das Kupfer in einem engen physikalischen und elektrischen Kontakt, sowohl mit der KA-90 Legierung als auch der Seewasserumgebung. Die Potentialdifferenz zwischen der KA-90 Legierung und der Kupferoberfläche ist etwa 810 Millivolt, wodurch die Neigung besteht, Elektronen von der Oberfläche der Legierung auf die Kupferoberläche zu drängen. Schließlich neigen die beiden Oberflächen dazu, das Potential auszugleichen, mit der Ausnahme, daß das Oberflächenpotential des Kupferaktivators in bezug auf sein normales Oberflächenpotential so negativ wird, daß Elektronen in das Seewasser emittiert werden. Als Folge wird ein kontinuierlicher Elektronenstrom von der Legierungsoberfläche zu dem Kupfer aufrechterhalten. Auf diese Weise werden neue Metallatome von der Legierung kontinuierlich freigesetzt und das aktive Oberflächenpotential der KA-90 Legierung

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bf?i etwa - 1030 Millivolt gehalten. Gleichzeitig wandern die Elektronen in den Schiffsrumpf und sorgen für eine zusätzliche Ladung an den Anoden. Im Hinblick auf die Kupferaktivatoroberfläche nähert sich jedoch schließlich das Oberflächenpotential des Schiffsrumpfes im Bereich der Anode schließlich demjenigen der KA-90 Legierung, wodurch die Aktivität der Anodenoberfläche verringert anstatt verstärkt wird.

Im allgemeinen schützt, wenn Kupfer als Aktivatoroberfläche eingesetzt wird, jede Standard-KA-90-Legierungsanode (mit einem Gehalt von etwa 8,6 kg KA-90 Legierung) die in Seewasser als galvanisches Element mit dem Stahl- oder Eisen-

rumpf eingesetzt wird, etwa 46,5 m benetzter Oberfläche und ergibt ein Minimum von etwa 23 000 Amperestunden schützenden Stromes pro Jahr (53,8 Milliampere pro m ). Unter diesen Bedingungen opfert jede Anode durch den Abtrag ihrer Oberfläche durchschnittlich etwa 0,027 kg Legierungsmetall pro Jahr. Eine typische Standardanode besitzt eine

Oberfläche von etwa 0,16 m , so daß unter den vorbeschriebenen Bedingungen das Verhältnis der Anodenoberfläche zur Schifssrumpfoberfläche bei etwa 1:300 liegt.

Im allgemeinen schützt, wenn Kupfer als Aktivatoroberfläche eingesetzt wird, jede Standard~3O,8 kg-Zinkanode, die in Seewasser als galvanisches Element mit dem Stahl- oder Eisen-

schiffsrumpf eingesetzt wird, etwa 46,5 m benetzter Ober-

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fläche und erqibt ein Minimum von etwa 13 000 Amperestunden

schützenden Stromes pro Jahr (32 Milliampere pro m ). Unter diesen Bedingungen opfert jede Anode durch Abtrag (der auf dem galvanischen Element mit dem Schiffsrumpf beruht) von seiner Oberfläche durchschnittlich etwa 11,8 kg metallisches Zink jährlich. Die Standardanodenoberfläche beträgt

etwa 0,23 m , so daß unter den vorbeschriebenen Bedingungen das Flächenverhältnis von Anode zum Schiffsrumpf bei etwa 1:200 liegt. Der typische, auf dem Aktivator beruhende Abtrag des Zinkmetalles sollte unter diesen Bedingungen bei etwa 0,68 kg im ersten Jahr und etwa 1,36 kg im zweiten Jahr 1legen.

Eine besondere Befestigungsanordnung ist gemäß der Erfindung vorgesehen, wodurch die Anoden in einer einfachen Weise ohne Verschweißung ausgetauscht werden können. Somit können die Anoden durch Taucher ersetzt werden, ohne daß es ge— wünschtenfalls erforderlich ist, das Schiff auf einen Trockendock zu legen. Die Befestigung ist derart ausgebildet, daß ein positiver physikalischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Aluminiumslegierungsanodenmaterial durch eine kontinuierliche metallische Masse einschließlich des Aktivatorkernmaterials und dem Schiffsrumpf besteht. Im Idealfall werden die Anoden als zylindrische Stäbe um zylindrische Kerne herumgegossen und besitzen eine standardisierte Länge, um die Austauschbarkeit zu erleichtern. Es hat sich gezeigt, daß der Abtrag dieser Anoden im wesentlichen

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von den Enden in Richtung auf die Mitte fortschreitet.

Ein Ausführungsbeispiel der Anode und deren Befestigung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht

auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei die Seewasseraluminiumlegierung um den Kupferkern herumgegossen ist,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1 in Richtung der Pfeile gesehen,

Fig. 3 eine Endansicht der Anode gemäß Fig. 1,

Fig. 4 die Draufsicht auf die Befestigungsanordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 5 eine auseinandergezogene Seitendarstellung der Befestigungsanordnung gemäß Fig. 4 und

Fig. 6 eine Endansicht der Befestigungsanordnung <pmäß den Fig. 4 und 5.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Anode besitzt eine Masse 11 aus Seewasser-aluminiumlegierungsmetal1, vorzugsweise KA-90

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Legierung, das um einen Kupferstabkern 12 herumgegossen ist, welcher damit in die Legierungsmasse eingebettet ist, wie sich am deutlichsten aus Fig. 2 ergibt. Die Endteile 13 des Kernes 12 erstrecken sich als Befestigungslaschen aus dem Legierungsmetall heraus, wobei jeder der Endteile mit einer Aussparung 15 versehen ist, die auf entsprechende Stifte oder Bolzen der Halterung (Fig. 4 bis 6) passen, die an dem Schiffsrumpf oder einer anderen (nicht dargestellten) Oberfläche befestigt sind, die kathodisch geschützt werden soll. Die freien Oberflächen der Endteile 13 stellen eine ursprüngliche Aktivierungsoberfläche dar, die normalerweise ausreicht, die Aluminiumlegierungsanodenmasse 11 in opferndem Zustand zu halten. Während der Abtrag der Legierung 11 fortschreitet, vergrößert sich die Fläche der Endteile durch eine zusätzliche Freigabe von Teilen des Aktivatorkerns 12.

Die Anodenmetallmasse 11 kann verschiedene Formen besitzen, wobei sie jedoch bevorzugt die dargestellte Form einnimmt. Diese Form hat sich für kernaktivierte Anoden im allgemeinen als vorteilhaft gezeigt, unabhängig davon_/ob es sich um Zink oder Seewasseraluminiumlegierungen handelt. Wie gezeigt, besitzt jede Anode ein wenig vergrößerte Endteile 16, die einige (in dem dargestellten Beispiel etwa 7,6) cm lang und im allgemeinen etwa 6,35 bis 7,6 cm breit sind (Fig. 3)

Die verbleibende Länge der Anodenmasse 11 beträgt normalerweise etwa 50,8 bis 60 cm (in dem dargestellten Beispiel 57 cm), während sie einen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Die ver-

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größerten Endteile 16 nehmen die abgeflachten Endteile 13 des Kernes 12 auf. Wie erläutert, handelt es sich bei dem Korn 12 um einen Kupferstab von etwa 1,58 cm Durchmesser, während die ringförmige Legierungsanode 11 einen äußeren Durchmesser von etwa 5,87 cm besitzt. Dieser Aufbau schafft ein ursprüngliches Oberflächenverhältnis der Anode zum Kern von etwa 8:1. Während der Abtrag unter diesen Bedingungen fortschreitet, nimmt das Verhälntis zu, bis es schließlich 1:1 erreicht. In der Praxis kann das ursprüngliche Verhältnis der freien Oberflächen in einem Bereich von 5:1 bis etwa 15:1 ausgewählt werden, obwohl jedoch das gebräuchlichste ursprüngliche Verhältnis beim Einsatz von Kupferkernen zwischen etwa 7:1 und etwa 10:1 liegt.

Die Anoden des erläuterten Typs können standardisiert werden, so daß sie über ihren standardisierten Halterungen leicht austauschbar sind. Eine repräsentative frische Standard-

anode dieses Typs besitzt etwa 1 613 cm freier Anodenoberfläche und 8,6 kg KA-90 Seewasseraluminiumlegierungs-

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metall sowie etwa 145 cm freier Aktivatoroberfläche und etwa 2,04 kg Kupferkernmaterial.

Die Kupferkerne 12 stellen die gesamte Aktivatoroberfläche zur Verfugung, die für die Anode und das kathodische Schutzsystem gemäß der Erfindung erforderlich ist. Es können natürlich auch andere Materialien, wie Blei oder Kohle die dargestellten Kupferkerne ersetzen, obwohl dann Schritte

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unternommen werden müssen, um die freie Oberfläche dieser Materialien zu vermindern und deren Stabilität zu erhöhen, während gleichzeitig entsprechende bauliche Veränderungen der Gesamtanordnung zu berücksichtigen sind. Es ist im besonderen erstrebenswert, daß die Kupferkerne in einer solchen Weise befestigt sind, daß ein elektrischer Kontakt durch eine unmittelbare Befestigung der Endteile 13 an dem Stahlrumpf besteht.

Der verwendete Begriff "unmittelbare Befestigung" bezieht sich auf den physikalischen Kontakt zwischen zwei metallischen Flächen,der ausreicht, um eine elektrische Leitung über einen wesentlichen Oberflächenbereich der beiden Materialien zu gewährleisten im Gegensatz zu einer Draht-oder Kabelverbindung zwischen den beiden Materialien. Eine derartige Befestigung kann auch über Zwischenmetallflachen erfolgen, wie sie beispielsweise innerhalb einer Befestigungsanordnung vorgesehen sind.

Eine in starkem Maße bevorzugte Befestigungsanordnung ist in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt, aus welchen sich ergibt, daß eine Stahlgrundplatte 18 die Form einer Klammer mit sich gegenüberliegenden Schenkeln 19 und einem geschlitzten Querverbindungsteil 20 besitzt, die unmittelbar an dem Schiffsrumpf anschweißbar ist. Eine T-Nutenschraube 24, vorzugsweise aus Schmiedestahl,wird zwischen den Schenkeln 19 der Grundplatte 18 aufgenommen und erstreckt sich durch den geschlitzten

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oberen Querverbindungsteil 20 und durch die Aussparung 15 in dem laschenförmigen Endteil 13 hindurch. Der Endteil 13 ruht auf einer Scheibe 25, bei welcher es sich um eine Messing- oder Kupferscheibe handeln kann, welche mit der Grundplatte 18 silberverlötet oder hartgelötet sein kann. Eine besonders ausgebildete obere Scheibe 27, vorzugsweise aus Messing oder Bronze,wird auf das Gewindeende der T-Nutenschraube aufgesteckt , während eine Mutter 28 die gesamte Anordnung zusammenpreßt, um einen direkten physikalischen Kontakt zwischen dem Endteil 13 der Scheibe 25 der Grundplatte 18 und dem (nicht dargestellten) Rumpf sicherzustellen. Die Mutter 28 ist mit einer Kunststoffkappe 30 abgedeckt. Um die Anoden auszutauschen, ist es lediglich erforderlich, die Kappe 30 und die Mutter 28 zu entfernen, worauf man die obere Scheibe 27 herunternehmen und die Anode aus ihrer Halterung herausnehmen kann. Keine Schweißung und kein anderer arbeitsaufwendiger Vorgang in einem Trockendock ist erforderlich.

Wie auf dem Gebiet des kathodischen Schutzes von metallischen Oberflächen in einer Seewasserumgebung bekannt ist, entwickeln auch die hochreinen Military Specification Zinkanoden innerhalb der ersten Monate in dem Seewasser einen Oberflächenüberzug, welcher das Oberflächenpotential des Zinks auf einen niedrigeren Wert in der galvanischen Reihe herabsetzt als die umgebenden Schiffsflächen. Zu dieser Zeit wirkt das Zink nicht länger als eine Anode in bezug auf das

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Schiff, sondern wird kathodisch in bezug auf das Schiff, wodurch das Schiff als Anode in dem Bereich um die Zinkanode wirkt. Die Inspektion von Zinkanoden während der jährlichen Aufdockung der Schiffe zeigte ein gemessenes Oberflächenpotential bis zu -300 oder -400 Millivolt in bezug auf eine SiIber-Silberchloridhalbzelle, verglichen mit dem normalen Potential von -1 030 Millivolt. Ein ähnliches Phänomen tritt ein, wenn Seewasseraluminiumlegierungsanoden anstelle von Zinkanoden eingesetzt werden. Die verwendung der Aktivierungskerne, wie sie durch diese Erfindung für das kathodische Schutzsystem gelehrt wird, schafft ein hinreichendes Spannungsdifferenzial zwischen der Legierung und der Anschlußklemme, um die sich normalerweise beim Einsatz durch die Anode entwickelnden Sperrschichten zu zerstören.

Die erfindungsgemäßen Anoden werden vorzugsweise in Gruppen angeordnet, um einen kathodischen Schutz für den Stahl- oder Eisenrumpf des Schiffes darzustellen. Die Anzahl der erforderlichen Anoden in einer vorgegebenen Gruppe hängt von verschiedenen Faktoren,einschließlich der benetzten Fläche des Rumpfes, ab. Diese Fläche wird normalerweise durch eine Überschlagsformel bestimmt, die in Beziehung zur Art des Schiffsrumpfes steht. So ist beispielsweise die benetzte Oberfläche eines stromlinienförmigen Schiffskörpers, wie beispielsweise eines C-4 Güterschiffes,die Summe von 60 % des Produktes der Länge und Breite plus einem Faktor von

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1,7 mal dem Produkt der Länge und Tiefe (d. h. L χ D χ 1,7 + LxBx 0,6 = benetzte Oberfläche). Ähnliche Formeln sind für die verschiedenen Formen der Schiffsrümpfe entwickelt worden. Bei vorgegebener benetzter Oberfläche kann die Anzahl und die Anordnung der Anoden bestimmt werden.

Vorzugsweise ist jede der erfindungsgemäßen Anoden für einen

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Bereich von etwa 9.2 m bis etwa 120 m benetzter Oberfläche vorgesehen, wodurch ein ursprüngliches Anoden-zu-Rumpf-Oberflächenverhältnis von zwischen etwa 1:50 und etwa 1:750 entsteht.

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Claims

Patentansprüche

1.Kathodisches Schutzsystem für metallische Oberflächen, im besonderen von dem Seewasser ausgesetzten Schiffsrümpfen, gekennzeichnet durch

eine Anodenanordnung einzelner Anoden mit einem Oberflächenpotential, gemessen in bezug auf eine Silber-Silberchloridhalbzelle, das negativer ist als etwa - 1 000 Millivolt, in unmittelbarem Kontakt mit dem Seewasser und in direkter Verbindung mit dem Schiffsrumpf,

wobei jede Anode (11) einen unelastischen Kern (12) aus einem Material besitzt, welches derart ausgewählt ist, daß die Potentialdifferenz zwischen dessen Oberflächenpotential (gemessen in bezug auf eine Silber-Silberchloridhalbzelle) und demjenigen der Seewasseraluminiumlegierung mindestens um 200 Millivolt größer ist als die entsprechende Potentialdifferenz zwischen der Metalloberfläche und der Legierung, während das Verhältnis der freien Oberfläche der Legierung zu der freien Oberfläche des Kernmaterials nicht größer als etwa 15:1 ist.

2. Schutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialdifferenz zwischen den Aktivatorkern-

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materialien und der Legierung mindestens etwa 600 Millivolt beträgt.

3. Schutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivatorkernmaterial aus solchen Materialien ausgewählt ist, die ein Oberflächenpotential besitzen, welches weniger negativ als Bronze in der galvanischen Potentialreihe ist, gemessen in bezug auf eine Silber-Silberchlorid· halbzelle.

4. Schutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivatorkernmaterial Kupfer umfaßt.

5. Schutzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (11) Aluminium, Zink und Zinn umfaßt.

6. Schutzsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Einsatz einer Anode (11), die aus einer Masse einer Seewasseraluminiumlegierung besteht, mit einem Oberflächenpotential, gemessen in bezug auf eine Silber-Silberchloridhalbzelle, negativer als etwa - 1 000 Millivolt, welche als Anode ausgebildet ist und ein starres Kernmaterial (12) umgibt, welches so ausgewählt ist, daß die Potentialdifferenz zwischen dessen Oberflächenpotential (gemessen in bezug auf eine Silber-Silberchloridhalbzelle) und demjenigen der Seewasseraluminiumlegierung um mindestens 200 Millivolt größer ist als die entsprechende Potentialdifferenz

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zwischen Eisen und der Legierung, wobei der Kern (12) in das Aluminiumlegierungsmetall (11) eingebettet ist und sich aus diesem heraus zur Befestigung an dem Schiffsrumpf erstreckt, wobei das Verhältnis der freien Oberfläche der Legierung zur freien Oberfläche des Kernmaterials nicht größer als etwa 15:1 ist.

7. Schutzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung Aluminium, Zink und Zinn umfaßt.

8. Schutzsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernmaterial aus Kupfer besteht.

9. Schutzsystem nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Seewasserlegierungsmaterial um die KA-90 Seewasseraluminiumlegierung handelt.

10. Schutzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (12) aus einem Stab mit kreisförmigem Querschnitt besteht, dessen Endteile (13) abgeflacht sind und Haltelaschen bilden, die sich aus den einander gegenüberliegenden Enden der Legierungsmasse (11) herauserstrecken.

11. Schutzsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungsmasse (11) den Teil des Kernes (12) mit einem kreisförmigen Querschnitt als im Querschnitt ringförmiger Mantel umgibt.

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- * - 2 7 3 13 7b

12. Schutzsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (12) aus Kupfer besteht und die Legierung Aluminium, Zink und Zinn umfaßt.

13. Schutzsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

eine an dem Schiffsrumpf befestigte, metallische Grundplatte (18) mit zwei aufrecht stehenden Schenkeln (19) und einem oberen Querverbindungsteil (20),

eine zwischen den aufrecht stehenden Schenkeln (19) angeordnete T-Nutenschraube (24), deren Gewindeschaft sich durch den Querverbindungsteil (20) hindurcherstreckt,

eine nicht aus Eisen bestehende, metallische Scheibe (25), die mit dem Querverbindungsteil (20) in Verbindung steht und den Gewindeschaft zur Halterung eines Endteiles (13) des Anodenkernes (12) umgibt,

eine obere Klemmscheibe (27), welche den Endteil (13) des Kernes (12) zusammen mit der unteren Scheibe (25) einschließt und

eine Mutter (28), mittels welcher die obere Scheibe (27) in Richtung auf die untere Scheibe (25) über die T-Nutenschraube (24) preßbar ist.

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27 3 i SJ 7 b

14. Schutzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das ursprüngliche Verhältnis der freien Oberfläche der Legierung (11) zum Kern (12) in einem Bereich von etwa 7:1 bis etwa 10:1 liegt.

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