DE2820033A1 - Korrosionsschutzanode - Google Patents

Description

PATENTANWALT
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ICI Case Nr. M 29546

MARSTON EXCELSIOR LIMITED Wolverhampton, Großbritannien

Korrosionsschutzanode

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Be Schreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Anoden und insbesondere auf kathodische Schutzanoden mit angelegtem Strom.

Der kathodische Schutz ist eine Technik, die vielfach verwendet wird, um Stahl- und Eisenkonstruktionen in aggressiven Umgebungen, wie z.B. im Meer, zu schützen. Grundlegend gibt es zwei Typen von kathodischen Schutzsystemen: bei der ersten Type werden sich opfernde Anoden aus Magnesium, Aluminium oder Zink verwendet und bei der zweiten Type werden Anoden mit angelegtem Strom verwendet. Wäh rend sich opfernde Anoden aufgrund ihres höheren elektrochemischen Potentials auflösen, wobei die zu schützende Stahlkonstruktion kathodisch gemacht und dadurch geschützt wird, sind Anoden mit angelegtem Strom von Haus aus inert. Die Anoden mit angelegtem Strom werden mit einer Quelle eines elektrischen Stroms als Anode geschaltet, wobei sie Chlor oder Sauerstoff auf ihren Oberflächen entwickeln. Dadurch, daß die Stahlkonstruktion in bezug auf die Anoden mit angelegtem Strom kathodisch gemacht wird, wird sie geschützt.

Wegen der Wichtigkeit der Dauerhaftigkeit der Anoden mit angelegtem Strom werden sie üblicherweise aus einem filmbildenden Metall, wie z.B. Titan oder Niob, hergestellt und mit einem Platingruppencetall, üblicherweise Platin, beschichtet. Unter gewissen extremen Bedingungen, wie sie beispielsweise in der Nordsee angetroffen werden, ist es erforderlich, daß man die Anoden periodisch überwachen kann. Eine Anordnung ist beispielsweise aus der GB-PS 1 347 469 bekannt, bei welcher die Anoden nach Bedarf zum Zwecke der Inspektion zurückgezogen werden können. Im wesentlichen besitzt die in der GB-PS beschriebene Anordnung ein Rohr, das sich von der Oberfläche nach unten bis zur Unterseite der Stahlkonstruktion erstreckt. Eine Anode für den kathodischen Schutz wird dann durch das Rohr hinuntergelassen, bis sie über die Unterseite des Rohrs vorschaut. Es ist klar, daß unter diesen Umständen dl· Anode

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nur an einem Ende gehalten wird und das freie Ende vollständig ungehaltert ist. Da es bevorzugt wird, daß die Anode für den kathodischen Schutz eine gewisse Strecke von der zu schützenden Konstruktion entfernt angeordnet ist, damit eine maximale Streuung erhalten wird, wird die Anode oftmals so angeordnet, daß sie sich in die offene See erstreckt.

Zum Schutz von großen Konstruktionen müssen hohe Ströme durch die Anode für den kathodischen Schutz geführt werden. Grundlegend ist der durch das kathodische Schutzsystem gewährleistete Schutz proportional zum fließenden Strom, während seine Kosten der Watt-Zahl proportional sind, das ist also der Strom multipliziert mit der Spannung. Es wurde festgestellt, daß das Vermögen einer Anode, elektrischen Strom in Seewasser zu überführen, bei einer bestimmten Spannung von deren Geometrie abhängt. Wenn beispielsweise zwei Anoden verglichen werden, von denen die erste aus einem Stab von 30 mm Durchmesser und 1,6 m Länge mit einer Platinoberfläche und die zweite aus einem Stab mit 12 mm Durchmesser und 4 m Länge mit einer Platinoberfläche besteht, dann sind die Oberflächen nahezu gleich. Der Stab mit 30 mm Durchmesser läßt jedoch _nur 7,73 A für jedes angelegte Volt passieren, während der Stab mit einem Durchmesser von 12 mm 13,19 A passieren läßt. Es ist deshalb ersichtlich, daß es erwünscht ist, daß Anoden für den kathodischen Schutz lang und dünn und nicht kurz und dick sind. Durch die Verwendung von langen und dünnen Anoden ergibt sich ein weiterer Vorteil insofern, als durch eine Verringerung der angelegten Spannung ein Zusammenbruch der Anodenoberfläche verringert werden kann und auch die Gefahr für Taucher geringer ist. Außerdem ist für die dielektrische Abschirmung, die für die Anode notwendig ist,¹· ebenfalls ein geringerer Aufwand nötig.

Unglücklicherweise sind jedoch die Bedingungen in der offenen See und die Belastungen auf Bohrplattformen, an welchen die Anoden für den kathodischen Strom befestigt sind, derart, daß lange dünne Anoden zerbrechen, da sie zum Vibrieren, Biegen oder Ermüden neigen. Es ist deshalb ersichtlich, daß es für jiie Anoden sich wi-

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dersprechende Erfordernisse gibt. Vom mechanischen Standpunkt aus sollten sie kurz und dick und vom elektrischen Standpunkt aus sollten sie lang und dünn sein.

Eine v/eitere Schwierigkeit liegt darin, daß das wirksamste filmbildende Metall für Anoden, die die extremsten Bedingungen aushalten müssen, das Niob ist. Niob ist teuer, weshalb die Verwendung von dickwandigen Niobrohren ebenfalls teuer zu stehen kommt.

Die Überwindung der Schwierigkeiten, die mit der Verwendung von rückzielibaren Anoden verknüpft sind, hat sich bisher teuer und schwierig erwiesen. In gewissen Fällen hat es sich als nötig erwiesen, beschädigte Anoden zu ersetzen. In der GB-PS 1 347 469 wird diesbezüglich festgestellt, daß die Anoden während extrem schwerer See in die geschützte Lage zurückgezogen werden können, um sie zu schützen. Jedoch sind zurückgezogene Anoden bei Verhinderung einer Korrosion nicht wirksam, weshalb die Stahlkonstruktionen korrodieren, wenn die Anoden sich in der gehobenen und geschützten Lage befinden.

Gemäß der Erfindung wird nunmehr eine Korrosionsschutzanode mit angelegtem Strom geschaffen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie mindestens drei Metallstäbe aufweist, wobei mindestens einer sich als Anode für kathodischen Schutz eignet und wobei die Stäbe durch starre Streben miteinander verbunden sind, derart, daß die Mittellinien der Stäbe in mindestens drei Ebenen liegen, wobei die Stäbe an einem Ende mit einer elektrischen Stromquelle verbunden werden können und so ausgeführt sind, daß sie beim Gebrauch nur an einem Ende in Form eines freitragenden Arms gehalten werden können.

Die Stäbe sind vorzugsweise aus einem filmbildenden Metall hergestellt, das aus der Gruppe Titan, Zirkon, Niob, Hafnium und Tantal ausgewählt ist, wobei ein anodisch aktives Material auf ihrer Oberfläche vorhanden ist. Vorzugsweise besitzen alle Stäbe ein anodisch aktives Material auf ihrer Oberfläche. Die Stäbe können

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einen Kern aus einem Metall, wie z.B. Kupfer oder Aluminium, mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als das filmbildende Metall aufweisen. Die Stäbe können weiterhin einen Kern aus einem Verstärkungsmetall, wie z.B. Stahl, aufweisen. Das anodisch aktive Material kann ein Metall, eine Legierung oder eine anodisch aktive Verbindung eines Platingruppenmetalls sein. Das anodisch aktive Material besteht vorzugsweise aus Platin. Das filmbildende Metall besteht vorzugsweise aus Niob oder Titan.

Vorzugsweise sind drei Stäbe an die Streben angeschweißt. Die Stäbe sind vorzugsweise in einem gleichen Abstand angeordnet, so daß im Querschnitt die Zentren der Stäbe auf einem gleichseitigen Dreieck liegen. Die starren Streben sind vorzugsweise an die Stäbe angeschweißt und können eine Zick-Zack-Form aufweisen, wobei sie sich zwischen zwei Stäben erstrecken. Es kann aber auch ein Bügel rund um die drei Stäbe angeschweißt sein. Schließlich können auch einzelne Streben Paare der Stäbe miteinander verbinden.

Die Stäbe können auf eine einzige gemeinsame Stelle zugebogen sein und an dieser Stelle mit einem Nasenstück versehen sein. Das Nasenstück ist dabei an dem Ende befestigt, das dem erwähnten ersten Ende gegenüberliegt. Beim Gebrauch wird die Anode durch ein Rohr hinabgelassen, das mit der zu schützenden Konstruktion verbunden ist, wobei das Nasenstück die Bewegung der Stäbe durch das Rohr unterstützt.

Nur einer der Stäbe braucht mit einer elektrischen Verbindung an einem Ende verbunden sein, wobei die restlichen Stäbe elektrisch durch die starren Streben verbunden sind. Es kann ein Endanschlag vorgesehen sein, mit dem die Stäbe verbunden sind. Der Endanschlag kann eine sich verjüngende Form aufweisen, so daß er beim Gebrauch mit einem geeigneten Rohr zusammenarbeitet.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher e?Iäut@rt„ In den Zeichnungen zeigens

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Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Anode für den kathodischen Schutz mit angelegtem Strom;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht der Metallteile der Anode von Figur 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Verstrebungen»

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Anodenkonstruktion;

Fig. 5 einen Vergleich einer dicken Anoden mit einer erfindungsgemäSen Anode; und

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Anodenkonstruktion.

Figur 1 zeigt ein Rohr 1, durch welches eine Anode 2 abgesenkt worden ist. Das Rohr besitzt ein sich verjüngendes Ende 3, in welches ein Stopfen 4 mit seiner sich verjüngenden Oberfläche 5 paßt. Der Stopfen 4 trägt die Gitteranode 6. Ein geeigneter elektrischer Leiter und eine Halteletfce oder ein Haltedraht 7 erstrecken sich von der Anode zur Oberseite des Rohrs 1. Die Anode wird mittels des Drahts 7 abgesenkt, und ein eltrischer Strom wird durch Leiter im Dreht zur Anode geführt. Erforderlichenfalls kann die Anode mit Hilfe einer geeigneten Winde (nicht dargestellt), an welcher das obere Ende des Drahts 7 befestigt ist, nach oben gezogen werden.

Figur 2 zeigt näher die metallischen Teile der Anode. Drei mit Platin beschichtete Niobstäbe 8, 9 und 10 sind mit Hilfe von geeigneten starren Streben 11, 12 und 13 miteinander verbunden, so daß eine stabile und starre Gitterkonstruktion entsteht. Diese Konstruktion besitzt einen dreieckigen Querschnitt. Da die Streben 11, 12 und 13 fest mit den Steben verschweißt sind, ist die Konstruktion sehr stabil. An einem Ende sind die Stäbe mit einer geeigneten elektrischen Verbindung versehen. Eine Anordnung ist dargestelltbei welcher ein Stab 8 so gebogen^ daß ein Teil 14 auf der Zentrallinie der Gitterkonstruktion liegt. Der Teil 14. dient als elektrischer Anschluß · Die gesamte Konstruktion ist in ein geeignetes Kunststoffmaterial eingeschlossen, so daß ein Stop-

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fen 4 entsteht. Am entgegengesetzten Ende nimmt ein Nasenstück 15 alle Enden der Stäbe 8, 9 und 10 auf, so daß die Anode leicht durch das Rohr 1 hinabgelassen werden kann. Wenn das Rohr eine Biegung aufweist, dann kann das Nasenstück ein Festklemmen verhindern.

Die Stäbe bestehen aus einem geeigneten Material, wie z.B. Niob oder Titan, das nit eines geeigneten anodisch aktiven Material, wie z.B. Platin, beschichtet ist. Für die Herstellung der Anode können alle geeigneten Materialien verwendet werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei der Verwendung die Anode nur an einem Ende befestigt ist und einen freitragenden Arm bildet. Wegen der Offenheit der Gitterkonstruktion bietet die Anode den Wellen nur einen sehr kleinen Querschnitt dar, weshalb sie nicht so ungünstigen Seebedingungen ausgesetzt ist, als dies bei einem Stab mit dem gleichen Durchmesser der Fall wäre.

Aus Figur 3 ist eine andere Form von starren Streben zu ersehen, die hier die Form von Bändern oder Streifen 16, 17 oder 18 aufweisen und die Stäbe miteinander verbinden. Obwohl die bevorzugte Anzahl von Stäben drei ist, können auch 4 oder mehr Stäbe verwendet werden, wie dies durch die Stäbe 20, 21, 22 und 23 von Figur 4 dargestellt ist. Auch hier sind die Stäbe durch geeignete Streben 24 und 25 miteinander verbunden.

Wenn man eine erfindungsgemäße Anode, wie z.B. eine Anode 26, mit einer bekannten Anode, wie z.B. einer Anode 27 (Figur 5) vergleicht, dann ist klar ersichtlich, daß viel weniger Material erforderlich ist und daß die Anode einen viel kleineren Querschnitt der See darbietet und somit weitaus weniger wahrscheinlich durch Wellen geschädigt wird. Die Streben können aus einem filmbildenden Metall, wie z.3. Titan oder Niob, oder aus irgendeinem anderen geeigneten Metall bestehen, das mit den Anodenstäben selbst verträglich ist.

Bei der in Figur 6 gezeigten Anode treffen sich die Stäbe 29, 30, 31 an einem gemeinsamen Punkt 32. Diese Anordnung besitzt eine

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erhöhte Festigkeit, aber etwas schlechtere elektrische Eigenschaften. Die Enden der Stäbe können in einem gemeinsamen Block 33 zusammengeschweißt sein.

Wegen der Kosten von Niob werden erfindungsgenäße Niobanoden vorzugsweise aus Stäben mit einem maximalen Durchmesser von 20 mm hergestellt. Wann die für eine bestimmte mechanische Festigkeit erforderliche Anode berechnet wird und eine Anode von 40 mm Durchmesser ergibt, dann ist dies für eineimassiven Niobstab unwirtschaftlich. Es wurda jedoch festgestellt, daß drei Stäbe von 12 mm Durchmesser, die innerhalb eines sie vollständig umschließenden Kreises angeordnet sind, wobei der Kreis einen Durchmesser von 88 mm aufweist, praktisch genauso fest sind wie ein Stab mit 40 mm Durchmesser, obwohl eine solche Konstruktion nur so viel Niob enthält wie ein Stab mit 20 mm Durchmesser. Die Anodenkosten hinsichtlich des Niobs sind deshalb nur ein Viertel so groß, wenn eine Gitterkonstruktion mit drei Stäben gemäß der Erfindung verwendet wird. Elektrisch sind jedoch die drei Stäbe mit 12 mm Durchmesser praktisch einem einzigen Stab von annähernd 40 mm Durchmesser äquivalent. Die exakten Zahlen wurden berechnet, und diese zeigen, daß drei Stäbe reit 12 mm Durchmesser innerhalb eines umschriebenen Kreises von 88 mm in ihrer Festigkeit genauso groß sind wie ein einziger Stab von 38 mm Durchmesser. Elektrisch wurde jedoch gefunden, daß die Dreistabkonstruktionen sich nicht so verhalten, wie ein einziger Stab mit einem Durchmesser von 88 mm. Unerwarteterweise wurde festgestellt, daß die drei Stäbe sich so verhalten, als bestünden sie aus einem einzigen Stab mit 42 mm Durchmesser.

Es ist deshalb ersichtlich, daß die Erfindung eine beträchtliche Einsparung an Materialkosten erlaubt, indem eine Anode geschaffen wird, die praktisch die gleichen elektrischen Eigenschaften wie ein Stab mit großem Durchmesser besitzt. Es ist wesentlich, daß ein Niobstab mit 40 cm Durchmesser wegen der hohen Niobkosten absolut unwirtschaftlich wäre.

Es ist klar, daß die jeweiligen Zahlen sich, von Beispiel zu Beispiel ändern, jedoch wird im allgemeinen ein Vorteil der Erfindung

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gegenüber einem massiven Stab immer erhalten, da die Festigkeit erhöht wird, ohne daß die Spannung in ungünstiger Weise zunimmt. Es war beispielsweise zu erwarten, daß die drei Stäbe innerhalb eines Kreises mit 88 mm Durchmesser sich so verhalten wie ein einziger Stab mit 83 mm Durchmesser, was elektrisch vollständig unzufriedenstellend wäre. Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß dies nicht der Fall ist und daß die elektrische Leitfähigkeit einer erfindungsgemäßen Konstruktion brauchbar bleibt.

Es ist klar, daß einer oder mehrere der Stäbe 8, 9 und 10 aus einem unbeschichteten Metall bestehen können, wobei nur einige der Stäbe ein anodisch aktives Material tragen. Durch eine solche Anordnung kann die Stromdichte an der Anode verhältnismäßig hoch gehalten werden, wobei die Anode verhältnismäßig lang und dünn sein kann, sie aber trotzdem eine ausreichende Starrheit und eine ausreichende Festigkeit besitzt, daß sie der Einwirkung von Wellen usw. widerstehen kann. Da es drei Variable gibt, Stabdurchmesser, Stababstand und Länge, und zwar anders als bei den bekannten starren Anoden, bei denen es nur zwei solche Parameter gibt, kann durch Veränderung der drei Variablen leichter eine optimale Leitfähigkeit, Festigkeit und Stromdichte erreicht werden, d.h. also, daß das Edelmetall wirksam ausgenutzt wird.

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Claims (9)

2d2üü33 Patentansprüche

1. Anode für den Korrosionsschutz mit angelegtem Strom, dadurch ^ gekennzeichnet, daß sie aus mindestens drei Metallstäben besteht, wobei mindestens einer sich als Anode für kathodischen Schutz eignet und wobei die Stäbe durch starre Streben miteinander verbunden sind, derart, daß die Mittellinien der Stabs in mindestens drei Ebenen liegen, wobei die Stäbe an einem Ende mit einer elektrischen Stromquelle verbunden werden können und so ausgeführt sind, daß sie beim Gebrauch nur an einem Ende in Form eines freitragenden Arms gehalten werden können.

2. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Stäbe aus einem filmbildenden Metall besteht, das aus Titan? Zirkon, Niob, Hafnium, Tantal und Legierungen davon ausgewählt ist, wobei die Legierungen ähnliche anodische Eigenschaften aufweisen wie das Grundmetall und wobei ein anodisch aktives Material auf der Oberfläche vorliegt.

3. Anode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stäbe aus einem filmbildenden Metall bestehen und ein anodisch aktives Material auf ihren Oberflächen aufweisen.

4. Anode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe einen Metallkern besitzen, der eine höhere elektrische Leitfähigkeit als das filmbildende Metall aufweist.

5. Anode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe einen weiteren Kern aus einem Verstärkungsmetall aufweisen.

6. Anode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Stäbe mittels Streben zusammengeschweißt sind.

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7. Anode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, da.3 die drei Stäbe einen gleichen Abstand aufweisen, derart, daß die Zentren der Stäbe auf einem gleichseitigen Dreieck liegen.

8. Anödet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , da3 die Stäbe zu einer einzigen geneinsamen Stelle zusarcmengebo£3n sind, wobei an dieserStelle ein Nasenstück vorgesehen ist.

9. Anoda nach x\nspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Stäbe im Bereich von 50 : 300 liegt.

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