DE3028619T1

DE3028619T1 - Impressed current systemf for cathodic protection

Info

Publication number: DE3028619T1
Application number: DE803028619T
Authority: DE
Inventors: R Lowe; M Warne
Original assignee: Denso Marston Ltd; Constructors John Brown Ltd
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1979-01-19
Filing date: 1980-01-18
Publication date: 1981-03-26
Also published as: DK158747B; IN153553B; EP0014030A1; JPS6315353B2; NO152518B; CA1137444A; NO802795L; GB2046789A; DE3028619C2; AU5450280A; EP0014030B1; DK158747C; WO1980001488A1; JPS55122884A; NO153402B; US4292149A; NL8020010A; GB2046789B; NZ192558A; NO152518C

Description

Einprägstromsysteme zum kathodischen

Schutz

Die Erfindung betrifft untertauchbare Aufbauten, die mit einer kathodischen Schutzeinrichtung versehen sind, welche eine Einprägstrom-Seilanodenanordnung umfaßt, sowie Einprägstrom-Anodenanordnungen, welche zum kathodischen Schutz von Meeresaufbauten und anderen untertauchbaren Aufbauten geeignet sind. Die Erfindung schafft auch eine neue Bezugselektrode.

Kathodischer Schutz ist das hauptsächliche Abwehrmittel zur Korrosionskontrolle von Stahlaufbauten in einer Meeresumgebung. Während Opferanoden zu diesem Zweck verwendet werden können, sind die yeranschlagten Lebensdauern von 25 bis 30 Jahren zu bezweifeln, welche als theoretische Maxima für solche Anoden spezifiziert worden sind. Opfer- oder Verlustelektroden haben natürlich den Vorteil, daß sie einen unmittelbaren Schutz des Aufbaus bieten, wenn er untergetaucht ist.

Einprägstromsysteme zum kathodischen Schutz benötigen eine Gleichstromenergiequelle, und aufgrund anderer Zwänge kann eine wesentliche Verzögerung dabei auftreten, diese effektiv in einem Offshore-Aufbau bereitzustellen. Außerdem basieren existierende Einprägstromsysteme auf langlebigen Anoden mit starken Überzügen aus Platin, zum Beispiel auf einem Substrat von Niobium. Solche Anoden sind äußerst teuer.

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Es leuchtet ein, daß in vielen Fällen die Bereitstellung eines Systems mit relativ kurzer bis mittlerer Lebens- :.- dauer beachtliche Vorteile hätte (zum Beispiel eine erwartete Lebensdauer von 3 bis zu 10 Jahren)· Ein derartlges Einprägstrom-Anodensystem sollte relativ billig und einfach zu installieren sein. Alle Einprägstrom-Anoden haben den großen Vorteil, daß ihre Leistung und ihre Wirksamkeit überwacht werden können und sie äußerst leicht zu steuern sind.

Erfindungsgemäß wird ein untertauchbarer Aufbau geschaffen, der mit einer kathodischen Schutzeinrichtung versehen ist und der gekennζelehnet ist durch eine flexible Einprägstrom-Anodenanordnung, die eine um einen Träger gewickelte längliche Elektrode aufweist, um einen anodiächen Bereich zu schaffen, sowie SeilVerlängerungen, die sich von dem anodischen Bereich in wenigstens zwei verschiedenen Richtungen erstrecken und an dem Aufbau so befestigt sind, daß der anodische Bereich einen Abstand vom Metall des schützenden Aufbaus hat.

Vorzugsweise wird eine Vielzahl der Elektroden je Anodenanordnung angewandt, und insbesondere sind drei solcher Elektroden vorzuziehen.
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Die Elektroden können Titan als Substrat umfassen, das einen anodisch aktiven Überzug aufweist.

Die Elektroden können in der Gestalt von Drähten sein, zum Beispiel ein platinisierter Titan- oder Niobiumdraht (wünschenswert mit Kupferkern) wie beispielsweise der Typ, der von IMI Marston Limited kommerziell geliefert wird.

Der fachmännische Leser sieht ein, daß Platin infolge seiner extremen Korrosionsbeständigkeit das am meisten geeignete Material für den Schutz untergetauchter Aufbauten ist. (Andere mögliche Materialien umfassen

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sämtliche korrosionsbeständigen anodisch aktiven Materialien , insbesondere die Metalle der Platingruppe, ihrer

-._.._... Legierungen und Oxyde.) Da jedoch die Verwendung massiver Platinanoden im allgemeinen zu teuer ist, zieht man vor,

__ 5 Anoden anzuwenden, die einen Platinüberzug auf einem Substrat umfassen. Niobium und Titan sind erwünschte Substrate, die mit Platin zusammen verwendet werden können und die die Eigenschaft besitzen, an ihrer Oberfläche einen Oxydfilm zu entwickeln, der das Metall vor weiterer Korrosion schützt. Diese Metalle haben höchst erstrebenswerte elektrolytische Eigenschaften. (Die anderen filmbildenden Metalle Hafnium, Zirkon und Tantal können auch verwendet werden.)

Mit dem hier verwendeten Begriff "Seil" ist ein Material gemeint, welches länglich ist, und welches korrosionsbeständig sowie verrottunga*icher ist und die Fähigkeit zum Tragen von Lasten hat.

Die Erfindung schafft in der Tat auch eine Einprägstrom-Anodenanordnung , die zur Verwendung als die oben definierte kathodische Schutzeinrichtung geeignet ist und einen anodischen Bereich aufweist, und die gekennzeichnet ist durch eine längliche Elektrode, welche um ein isolierendes Seil gewickelt ist, das durch den anodischen Bereich verläuft und sich von dort in wenigstens zwei verschiedenen Richtungen erstreckt. Mit dem Begriff "isolierend" in seiner obigen Verwendung ist im wesentlichen nichtleitend für Elektrizität gemeint.

Polypropylen- oder Polyesterseile sind bestens geeignete Materialien zur Verwendung in Seilen in der Erfindung, und ein typisches Polypropylenseil zur Verwendung in der Erfindung hat einen Durchmesser von 20 mm. Solche Seile, die isolierende Seile sind, sind natürlich besonders geeignet zur Verwendung in der oben definierten Anodenanordnung. Metallseile können in denjenigen Ausführungen verwendet werden, in denen das Seil nicht

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isolierend zu sein braucht, obwohl solche Seile natürlich gegen den zu schützenden Metallaufbau isoliert

■sein müssen. Tatsächlich zieht die Erfindung in Betracht, daß in vielen Fällen die Natur des Seiles keine große Bedeutung hat. Die Erfindung umfaßt Aufbauten, die mit Anodenanordnungen versehen sind (und in der Tat die Anordnungen selbst), bei denen das Seil völlig isolierend ist oder völlig elektrisch leitend ist oder ein Teil des Seiles isolierend und ein Teil elektrisch leitend ist. Beispielsweise kann eine Art isolierter Stromspeiseleitung als eine der Seilverlängerungen verwendet werden, wobei die Verlängerung dann die doppelte Punktion hat, den anodischen Bereich zu tragen und seine Positionierung zu unterstützen sowie dem anodischen Bereich Strom zuzuführen. In der oben definierten Anodenanordnung, welche ein isolierendes Seil enthält, das durch den anodischen Bereich verläuft, muß die verlängerte Elektrode aus einem Material gewählt werden, das ausreichend elektrisch leitend ist, um einen angemessenen Strom zu gestatten zum befriedigenden kathodischen Schutz mit einer mäßigen Spannung. Zusätzlich zu der Natur des Materials für die Elektrode ist in diesem Zusammenhang die Gestalt der verlängerten Elektrode (zum Beispiel Streifen- oder Drahtform) bedeutsam. Insbesondere ist eine drahtförmige Gestalt besser geeignet zur Schaffung der erwünschten elektrischen Eigenschaften als eine dickere und weniger längliche Elektrodenform. Es leuchtet ein, daß (wie im einzelnen unten in Verbindung mit einer speziellen Ausführungsform der Erfindung angegeben wird, die an Hand der Zeichnungen zu beschreiben ist) die oben definierte Anodenanordnung, die ein relativ leichtes Seil und eine um diese herumgewickelte lange und leichte Elektrode enthält, mehrere beträchtliche praktische Vorteile aufweist.

In einem kathodischen Schutzsystem wird der Schutz durch den gelieferten Strom geschaffen, und es ist natürlich

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ff

erforderlich, eine Spannung zum "Antreiben*¹ des Stromes vorzusehen. Wie oben angedeutet, bilden Titan und Niobium (und die anderen filmbildenden Metalle) bei Anwendung Oxydfilrae, welche die Oberfläche des Metalls bedecken. Wenn beispielsweise ein Stück Titan zuerst als Anode in einer elektrolytischen Zelle angeschlossen wird, zeigt das Auftragen des Stromes über der Spannung einen anfänglichen Stromanstieg mit Zunahme der Spannung, dem ein steiler Abfall des Stroms auf einen kleinen Verlustwert führt. Dies zeigt die Bildung und Existenss des schützenden Oxydfilms auf der Oberfläche des Metalls» Wenn aber die Spannung weiter zunimmt, bricht der Oxydfilm zusammen, und danach ist die Aufzeichnung des Stromes über der zunehmenden Spannung linear, wobei eine Spannungszunähme eine Zunahme des fließenden Stromes mit sich bringt· Physikalisch gesehen führt die Unterwerfung eines Stückes, beispielsweise aus Titan, unter eine Spannung oberhalb der Durchbruchsspannung zur Zerstörung der schützenden Oxydschicht und zur raschen Auflösung des Metalls. Dies ist natürlich verheerend unter dem Gesichtspunkt eines stabilen Elektrodensystems. Bei Titan scheint die Durchbruchsspannung in der Größenordnung von 8 bis 10 Volt zu liegen, während bei Niobium die Durchbruchsspannung in der Größen™ Ordnung von 100 Volt liegt. Da in der Praxis (zum Beispiel) eine platinisierte Titananode ein Stück Titan umfassen kann, das nur teilweise durch eine Platinschicht bedeckt ist, ist es wichtig, die zwischen diesem bloßen Titan und dem benachbarten Elektrolyten auftretende Spannung auf einen Wert unterhalb der Durchbruchsspannung zu begrenzen, da anderenfalls das Titan korrodierte Je höher die Betriebsspannung, die angelegt werden kann, desto größer ist offensichtlich der Stromfluß und desto wirksamer der kathodische Schutz» Ein Verfahren zur Vermeidung von einer durch Spannungsdurchbruch eingeleiteten Korrosion ist die Anwendung von Niobium als Substrat, obwohl das viel mehr kostet.

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Wo eine platinisierte Anode, zum Beispiel aus Titan,

beispielsweise nahe einem Stahlaufbau gelegen ist, der ..-:..-■_. geschützt werden soll, hat das resultierende elektrische Feld, wenn die Anode in Betrieb ist, einen Spannungsgradienten, der so verläuft, daß die Betriebsspannungen gefährlich sind, welche nahe der Durchbruchs spannung sind? daher besteht eine große Gefahr eines Durchbruchs des schützenden Oxydfilms in den Bereichen des Titans, welche nicht mit Platin überzogen sind, und folglich einer Zerstörung des Anodenaufbaus· Im Gegensatz dazu ist festgestellt worden, daß die gleiche Anode, die in einem angemessenen Abstand von dem Aufbau liegt, der geschützt werden soll, mit einer Systemspannung oberhalb der Durchbruchsspannung betrieben werden kann, da der Spannungsgradient um die Anode herum, wenn sie in Betrieb ist, viel weniger stark ist. Ferner wird mit solch einem Aufbau eine bessere Stromverteilung erhalten und folglich ein besserer und gleichmäßigerer Gesamtschutz des zu schützenden Aufbaus. Bei einem konzentrierten Feld des Typs, der aus einer Anode resultiert, die sehr nahe dem zu schützenden Aufbau gelegen ist, werden hohe örtliche Schutzströme benachbart der Anode erzeugt, was zur Möglichkeit von Problemen wie Wasserstoffversprödung und übermäßigen Kathodenablagerungen führt zusammen mit der Schwierigkeit, einen angemessenen Strom in gewissem Abstand von der Anode zu erhalten. Wenn die in einem kathodischen Schutzsystem angewandte Anode in beträchtlichem Abstand von dem zu schützenden Aufbau angeordnet werden kann, überlebt sie eine höhere Betriebsspannung und kann einen höheren Ausgangsstrom mit einem zufriedenstellenderen Schutz liefern. In solchen Fällen steht dann die Lebensdauer der platinisierten Anode in Beziehung zu der Dicke des Platins, das aufgebracht worden ist. In der Praxis beträgt die praktische Mindestdicke von Platin, das auf Titan- oder Niobiumoberflächen aufzubringen ist, 2,5 Mikrometer.

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Eine längere Lebensdauer kann durch Anwenden dickerer Platinüberzüge erhalten werden. Eine geeignete Dicke wäre 5 bis 20 Mikrometer.

Bei der Erfindung ermöglicht es die Aufnahme eines Seiles in die Anodenanordnung, das sich in wenigstens zwei verschiedenen Richtungen von dem anodischen Bereich erstreckt, die Anoden innerhalb des Gerüstes, zum Beispiel eines Meeresaufbaus, aufzuhängen, wobei die anodischen Bereiche relativ weit von jedem Stahlteil entfernt sind. Dies ermöglicht es, eine Anode auf Titanbasis bei einer Systemspannung oberhalb ihrer Durchbruchs spannung zu verwenden. Im Fall einer Elektrode auf Titanbasis liegt das Verhältnis des Abstandes zwisehen dem anodischen Bereich und dem zu schützenden Aufbau zu der anodischen Länge gewöhnlich zwischen etwa 0,4 und etwa4, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2. ^;

Die Erfindung ist insofern äußerst flexibel, als ein "maßgeschneidertes" kathodisches Schutzsystem für jeden besonderen zu schützenden Aufbau entworfen werden kann und das System als Installation "zur nachträglichen Anpassung" verwendet werden kann, um einen Schutz für einen Aufbau vorzusehen, der schon unter Korrosionsangriff leidet. So kann zum Beispiel eine Anzahl Seilanodenanordnungen gemäß der Erfindung bei jedem Niveau in einem Offshore-Ölbohrturm aufgespannt werden, um bei jedem Niveau ein kegelförmiges anodisches Gesamtsystem zu schaffen, an welches ein geeigneter Strom angelegt werden kann.

Eine Anzahl der Anodenanordnungen der Erfindung kann zusammen mit zugeordneten Kabeln (falls erwünscht) und/ oder mit Aufhängungen hergerichtet und auf eine Trommel aufgewickelt werden, um den Transport und die Handhabung am Einsatzort auf See oder anderswo zu erleichtern.

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Die bevorzugte Konstruktion der Anodenanordnung der Erfindung ist ein Polyester- oder Polypropylenseil, um welches drei mit Kupferkern versehene platinisierte

■ Titandrähte von beispielsweise 4 mm Durchmesser gewickelt sind, welche spiralförmig so um das Seil gewickelt sind, daß sie mit der Schlaglänge des Seiles selbst übereinstimmen. Das Seil kann von Degradationsprodukten, die elektrolytisch an der Anodenoberfläche erzeugt werden, geschützt werden durch Abdecken des Seiles mit einer Schutzschicht, zum Beispiel einem Heißschrumpfschlauch wie beispielsweise dem Material, das unter dem Warenzeichen "Kynar" gehandelt wird. Das gleiche Material kann auch dazu verwendet werden, die Elektroden in periodischen Abständen an dem Seil anzubringen, indem eine Reihe beabstandeter äußerer Kynar-Schläuche um die Elektrodenwicklungen herum entlang der gesamten Seilkonstruktion vorgesehen wird.

Bei der oben beschriebenen Konstruktion können Energieanschlüsse mittels flexibler isolierter Leiter ähnlich einem Schweißkabel bewirkt werden. Ein elektrischer Kabelanschluß kann an einem Ende der Anode derart ausgeführt werden, daß Seewasserauflösungsprodukte den Anschluß nicht verunreinigen. Ferner können die Befestigungβanordnungen (die offensichtlich von dem Aufbau abhängen, der geschützt werden soll) an jedem Ende des Seiles aus nichtmetallischem Material hergestellt werden, außer wo Schrauben benötigt werden.

Es ist wichtig einzusehen, daß bei der Erfindung die Länge des Seiles und der Aufhängungsanordnungen für den gesamten Aufbau unabhängig sind von der Länge der Elektroden und so konstruiert sein können, daß sie für die betreffende Anwendung geeignet sind. Ein Gitterwerk kann für eine Anzahl solcher Konstruktionen entworfen werden, um einen Schutz für einen ansehnlichen Aufbau zu schaffen.

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Es ist berechnet worden, daß bei Verwendung der oben beschriebenen bevorzugten Seilanodenanordnung auf

-^. Titanbasis der maximale wirtschaftliche Strom 250 Ampejce je Anode beträgt. Wenn bei dieser Konstruktion der ano~

..5 dische Bereich auf dem Seil länger als 10 m ist, wird ein verminderter Strom pro Längeneinheit erhalten» : und es tritt ein großer Spannungsabfall auf, der solche · längeren anodischen Bereiche unerwünscht macht« Es ist ebenfalls unerwünscht(aus dem oben beschriebenen Grund)_s daß der anodische Bereich näher an dem zu schützenden Stahlaufbau liegt als etwa 10 m. Die Ganghöhe der Anodenwicklung hängt vorzugsweise ab von der Ganghöhe des Schlages des Seils. In der Praxis wird angenommen, daß ' eine Länge des platinisierten Titandrahts von 12 bis 18 m erwünscht ist, um (in gewickelter Form) den anodischen Bereich von 10 m Länge zu schaffen, wobei einer Länge des platinisierten Titandrahtes von 12 bis 14 m eher der Vorzug zu geben ist. In der Praxis werden 5 bis 15 Volt an die Anoden angelegt.

Oben ist auf die Verwendung von "Kynar" als Material für den Heißschrumpfschlauch zum Schützen des Seiles und zum Halten der Elektrodenwicklungen auf dem Seil Bezug genommen worden. Dieses Material ist sehr erwünscht wegen seiner extremen chemischen Trägheit. Es ist aber zu beachten, daß jeder der Anodendrähte, dort wo sie an den Enden des beispielsweise 10 m langen anodischen Bereichs herauskommen, durch Heißschrumpfumhüllung geschützt werden kann (zum Beispiel Atum-Schrumpfpaßschlauch, hergestellt von Raychem Limited) oder die Enden der Anodendrähte mit Titan abgedichtet werden können.

Die Aufhängung einer Anodenanordnung gemäß der Erfindung kann erzielt werden unter Verwendung von ösen an jedem Ende des Seiles und Benutzung normaler Seil- und Gurtschlingen an Verankerungspunkten. Eine Vorspannung

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kann der Anordnung während der Installation erteilt

werden, um eine übermäßige Bewegung bei Stürmen zu ... beschränken (besonders wichtig bei Offshore-Aufbauten).

Eine Bezugselektrode kann an die Anordnung der Erfindung angefügt oder in die Konstruktion der Erfindung aufgenommen werden durch irgendein geeignetes Mittel, um eine Messung des Potentials des Aufbaus zu ermöglichen, welcher zu schützen ist. So kann eine Bezugselektrode mit einer oder beiden (oder jeder) der Seilverlängerungen im wesentlichen nahe deren Enden verbunden werden, so daß das Potential des geschützten Auf baus in der unmittelbaren Nachbarschaft der Bezugselektrode oder -elektroden erfaßt werden kann. Eine geeignete Form einer Bezugselektrode umfaßt einen im wesentlichen zylindrischen Block aus Zink hoher Reinheit, der einen verzinkten Stahldrahtkern enthält, wobei verzinkte Stahldrähte aus dem Kern zu elektrischen Verbindungszwecken führen. Wegen ihrer Zylinderform kann solch eine Elektrode an den Seilverlängerungen der in der Erfindung verwendeten Anodenanordnungen positioniert werden, indem sie einfach entlang dem gewünschten Seil geschoben wird. Die Elektrode kann an der gewünschten Stelle positioniert werden durch die Verwendung von Heißschrumpfschläuchen, wie oben erläutert, und zugeordneter Kabel und elektrischer Verbindungen, die ähnlich unter Verwendung von Heißschrumpfschläuchen geschützt werden. Auf diese Weise kann das Potential an erwünschten Punkten in dem zu schützenden Aufbau überwacht werden, und, falls erwünscht, kann eine Rückkopplung dieses überwachten Potentials zu einem automatischen Gleichrichter eingerichtet werden, um sicherzustellen, daß der Strom, der durch den anodischen Bereich der zum Schutz des zu schützenden Aufbaus angewandten Anodenanordnung oder -anordnungen geliefert wird, angemessen ist, Potentialpegel in dem Aufbau aufrechtzuerhalten, die zum

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kathodischen Schutz geeignet sind. Zusätzlich zum Umfassen der Bezugselektrode an sich umfaßt die Erfindung

, ..auch deren Kombination mit einer Anodenanordnung, auf die hier Bezug genommen wird, sowie die Kombination der Bezugselektrode zusammen mit der Anodenanordnung mit Mitteln zum automatischen Anpassen der Stromzufuhr zu dem anodischen Bereich der Anodenanordnung entsprechend Änderungen des Potentials, das durch die Bezugselektrode überwacht wird.

Als Alternative zum Positionieren der Bezugselektrode der Erfindung an dem Seil einer Anodenanordnung der Erfindung können ein oder mehrere solcher Bezugselektroden an einem vorgespannten Seil völlig getrennt von der Anodenanordnung positioniert werden. Wenn eine Vielzahl von Bezugselektroden so eingesetzt wird, können diese in einem vorbestimmten Raster entlang einem Seil beabstandet sein, um.das Potential eines untergetauchten Aufbaus an erwünschten Stellen zu messen, wenn die resultierende Bezugselektrodenanordnung benachbart dem untergetauchten Aufbau (geeignet beschwert) aufgehängt wird. Diese Art von Anordnung kann wie die Anodenanordnung der Erfindung auf eine Trommel aufgewickelt werden. Die vorliegende Bezugselektrodenanordnung kann natürlich völlig getrennt von der vorliegenden Anodenordnung verwendet werden und kann in Situationen angewandt werden, wo es entweder nicht möglich oder nicht notwendig ist, die Anodenanordnung zu verwenden.

Es leuchtet ein, daß bei Vorgabe eines bestimmten Aufbaus, für den das Vorsehen eines kathodischen Schutzes erwünscht ist, der Fachmann im voraus den erforderlichen Strombedarf für verschiedene Punkte an dem Aufbau berechnen kann und daher für den Gesamtaufbau etwas vorsehen kann, was als "Kathodenschutz-Lastmittelpunkt" bezeichnet werden kann, in gewisser Analogie zu dem

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Schwerpunkt (um eine mechanische Analogie zu verwenden). Unter Verwendung der Anodenanordnungen der Erfindung kann dann ein kathodisches Schutzsystem konstruiert werden, das diese Information berücksichtigt. Es ist bereits angedeutet worden, daß die Anodenanordnungen der Erfindung es gestatten, ihren anodischen Bereich entfernt von dem zu schützenden Aufbau zu positionieren und so eine bessere Stromverteilung um den Aufbau herum zu gestatten und die Verwendung von Systemspannungen oberhalb der Durchbruchsspannung zu ermöglichen.

Eine erfindungsgemäße Anodenanordnung kann durch ein Rohr hindurch aufgehängt werden, das zwischen den Gliedern eines Aufbaus positioniert ist, der geschützt werden soll, beispielsweise ein Ölbohrturm, wobei eine SeilverlSngerung der Anodenanordnung durch das Rohr hindurch positioniert und an dem Aufbau an einem Ende des Rohres-befestigt wird, während der anodische Bereich der Anodenanordnung außerhalb des Rohres an dessen anderem Ende ist und eine zweite SeilVerlängerung an einem anderen Abschnitt des Aufbaus befestigt wird. Bei solch einer Konstruktion können Kabel, die benötigt werden, zu oberen Niveaus des zu schützenden Aufbaus durch das Rohr geführt werden. Das Rohr kann an seinem dem anodischen Bereich der Anodenanordnung benachbarten Ende mit einer glockenförmigen Muffe versehen sein, um das Hindurchführen der Anodenanordnung zu erleichtern. Geeignete Rohre, welche bei den Anodenanordnungen der Erfindung verwendet werden können, finden sich manchmal bei kathodisch geschützten Aufbauten, die mehr herkömmlich befestigte Anoden als die flexiblen Anoden der Erfindung anwenden.

Es leuchtet ein, daß die Erfindung, während sie bestens geeignet ist für den kathodischen Schutz von Ölbohrtürmen und dgl., einen äußerst weiten Anwendungsbereich

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hat, wo der Schutz untergetauchter Aufbauten erwünscht ist, und es ist in der Tat die extreme Flexibilität des vorliegenden Systems im Vergleich zu den meisten Systemen nach dem Stand der Technik, welche den wesentlichen Vorteil der Erfindung bietet.

Die Erfindung schafft auch ein Einprägstrom-Kathodenschutzsystem, das eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Anodenanordnungen umfaßt, die zu einem Gitterwerk (harness) vorgefertigt sind. Eine geeignete Zahl von Anodenanordnungen gemäß der Erfindung zur Einbringung in ein Gitterwerk beträgt 3 bis 10, zum Beispiel 5 oder 6.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Gesamtansicht einer Anodenanordnung ;

Figur 2 die Einzelheit des Endes der Elektrodenwicklungen in der Anodenanordnung von Figur 1; Figur 3 die Einzelheit eines Mittelbereichs der Elektrodenwicklungen der Anodenanordnung von Figur 1;
Figuren 4a und 4b die Einzelheit der elektrischen

Kabelverbindung mit den Elektrodenwicklungen der Anodenanordnung von Figur Ij Figur 5 einen Querschnitt bei der Linie A-A in Figur

4a;

Figur 6 eine Seitenansicht eines Ölbohrturmaufbaus, bei welchem in einem Niveau ein kathodischer Schutz durch das Einbringen von Anodenanordnungen vorgesehen ist;

Figur 7 eine Draufsicht auf einen Schnitt durch Figur 6, von Linie 7-7 nach unten gesehen;

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Figur 8 einen Schnitt längs der Linie 8-8 von Figur 7, welcher nur die Anodenanordnungen in der Ebene des Schnitts zeigt; und Figur 9 eine Schnittansicht einer Bezugselektrode, die an dem Seil einer Anodenanordnung posi

tioniert ist.

Wie aus Figur 1 zu erkennen, umfaßt die gezeigte spezielle Anodenanordnung ein Seil 5, das aus Polyesterfaser besteht und durch einen Kynar-Heißschrumpfschlauch geschützt ist. Für das Seil eignet sich ein Durchmesser von 20 mm. Um das Seil 5 herum gewickelt sind Elektrodenwicklungen 6 (Figuren 2 und 3), die aus platinisierten Titandrähten von 4 mm Durchmesser mit Kupferkernen bestehen. Drei solcher platinisierten Titandrähte sind schraubenförmig um das Seil 5 herumgewickelt.

In periodischen Abständen ist das Seil 5 mit einem Schrumpfsitzschlauch 7 aus Kynar versehen, um die Elektrodenwicklungen 6 an dem Seil 5 zu befestigen. Ein weiterer Kynar-Schlauch ist an einem Ende 2 des gesamten Elektrodenbereichs (Anodenbereichs) (allgemein durch das Bezugszeichen 8 bezeichnet) vorgesehen, welches von dem elektrischen Kabelanschluß an den Elektro- denbereich (der selbst allgemein durch das Bezugszeichen 4 bezeichnet ist) entfernt ist.

Zur Befestigung der Anodenanordnung an dem Aufbau, welchen sie schützen soll, sind an den Enden des Seiles 5 Ösen 9 vorgesehen. Wie zu sehen, ist eine zusätzliche Öse an dem Seil 5 angebracht an seinem Ende, das von dem elektrischen Kabelanschluß 4 entfernt ist, um ein Spannen und eine Taucherinstallation der Anodenanordnung zu erleichtern. Das Seil wird vorzugsweise bei der Installation mit einer Vorspannung von einer halben bis zu einer ganzen Tonne versehen, um seine übermäßige

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Bewegung nach der Installation und bei Stürmen zu verhindern.

Figur 2 zeigt, wie bereits angedeutet, das Ende des Elektrodenbereichs, das in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist. Es ist zu sehen, daß das Seil 5 durch einen Kynar-Schiauch 10 gegen die Elektrodenwicklungen 6 geschützt ist. Die Enden 11 der Elektroden sind in Atum-Heißschrumpfschlauch 12 (erhältlich von Raychem Limited) abgedichtet, obwohl auch eine Titanabdichtung alternativ verwendet werden kann. Die Enden 11 sind durch einen weiteren Kynar-Schlauch 13 bedeckt*

In Figur 3 ist zu erkennen, daß drei Elektrodenwicklungen durch einen weiteren Kynar-Schlauch 7 bedeckt sind und dadurch auf dem Kynar-Schlauch 10, welcher das Seil 5 Bedeckt, an ihrem Platz gehalten werden.

Wie aus den Figuren 4a, 4b und 5 zu ersehen, sind die Elektrodenwicklungen 6 an dem Ende zum elektrischen Kabelanschluß 4 der Anodenanordnung mit Überzügen aus Atum-Heißschrumpfschlauch 14 versehen. Die Überzüge 14 erstrecken sich bis unter einen Kynar-Schlauch 15, der die Elektrodenwicklüngen 6 an ihrer Stelle auf dem Kynar-Schlauch 10 hält, der das Seil 5 schützt. Die Elektrodenwicklungen 6 verlaufen in eine Kabel/Elektroden-Verbindungsanordnung, welche allgemein durch das Bezugszeichen 19 bezeichnet ist, und welche an dem Seil 5 durch einen weiteren Heißschrumpfschlauch 16 befestigt ist. Die Anordnung 19 umfaßt ein Polythenrohr 17, das eine Epoxydfüllung 18 aufweist, wobei die Wicklungen 6 (die je aus einem platinisiertem Titandraht, wie oben beschrieben, in einem Heißschrumpfschlauch bestehen) darin eingebettet sind. Ein einadriges Kabel 20 führt von einer Kabelmuffe 21 zu einer Kabelquetschverbindung 22, um dadurch den elektrischen Anschluß an die

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Wicklungen 16 zu schaffen. Die Verbindung 22 ist mit einem Heißschrumpfschlauch 23 versehen. Das einadrige

2 • . ■ Kabel 20 hat günstigerweise einen Querschnitt von 50 mm , und eine günstige Größe für das Polythenrohr 17 sind ein Innendurchmesser, 50 mm und eine Länge von 300 mm.

'von

Der Bereich der Anordnung von dem Kynar-Schlauch 15 bis knapp unterhalb des oberen Endes des Rohres 17 ist vorzugsweise in Gummiband eingebunden, um dl* Anordnung beim Transport zu schützen.

Unter nochmaliger Bezugnahme auf Figur 2 kann ein Bereich von knapp unterhalb des Kynar-Schlauchs 13 bis etwas weiter oberhalb desselben mittels einer oder mehrerer (zum Beispiel drei) Lagen von halb überlapptem "Scotch 23" - Isolierband geschützt werden, das insgesamt durch einen Heißschrumpfschlauch geeigneter Größe bedeckt ist. Der Schlauch 13 hat eine etwas größere Länge als die verschiedenen Schläuche 7 und der Schlauch 15, vorzugsweise etwa die doppelte Länge der Schläuche 7 und 15. Der Schlauch 13 kann beispielsweise 150 mm lang sein, und die Schläuchen und 15 können beispielsweise 75 mm lang sein.

Es ist zu beachten, daß der schützende Kynar-Schlauch sich von knapp oberhalb dem oberen Ende des Rohres 17 (Figur 4b) bis etwas über den Schlauch 13 am anderen Ende des Elektrodenbereichs 8 hinaus erstreckt. Der Elektrodenbereich 8 hat günstig eine Länge von etwa 10 m, und der Kynar-Schlauch 10 kann zum Beispiel eine Länge von annähernd 11,5 m haben, um dadurch den Elektrodenbereich 8 völlig zu überdecken. Unter Bezugnahme auf Figur 4b ist das Kabel 20 gewöhnlich ziemlich flexibel und kann unarmiert, mit EPR isoliert und mit CSP ummantelt sein. Es ist auch einzusehen, daß eine elektrische Kabelverbindung des in Figur 4b gezeigten

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Typs ersetzt werden kann durch eine einfache Kabel-Elektrodenverbindung, bei welcher ein Schutzüberzug ,(zum Beispiel vulkanisierter Gummi) über der Verbindung aufgebracht wird. So kann beispielsweise eine äußere Schutzhülle um das elektrische Kabel herum über das Ende der Elektrode hinaus verlängert werden, um die Verbindung abzudecken.

Die anhand der Zeichnungen oben genau beschriebene Anodenanordnung hat die folgenden wünschenswerten Merkmale für den kathodischen Schutz metallischer Meeresaufbauten (obwohl sie natürlich auch zum Schutz anderer untergetauchter Aufbauten verwendet werden kann):

(a) die Elektrode selbst ist lang und dünn, was nicht nur die erforderliche Antriebsspannung vermindert, sondern auch zu einer Materialersparnis führt;

(b) die Anordnung ist flexibel und kann aufgespult werden, und die Erfindung umfaßt solch eine aufgespulte Konstruktion (oder tatsächlich eine Vielzahl von Anodenanordnungen der Erfindung, die auf eine Trommel zur Verwendung je nach Bedarf aufgewickelt sind);

(c) vorausgesetzt, daß geeignete Verankerungsanordnungen getroffen sind, leidet die Anodenanordnung wahrscheinlich nicht an Verschleiß oder Ermüdung bei Betrieb und ist ein natürlicher Wirbelabweiser (eddy shedder);

(d) die Anodenanordnung hat typisch eine Stromkapazität von bis zu 250 Ampere und kann in einem Gitter (harness) angeordnet werden, um ein Gesamtsystem für eine bestimmte Installation mit einer Kapazität von beispielsweise 1500 Ampere (das heißt, 6 Anodenanordnungen) vorzusehen;

(e) die theoretische Mindestlebensdauer einer Platin-' schicht beträgt 3 Jahre und kann nach Bedarf verlängert werden;

(f) die Montage der Anodenanordnung an einem Aufbau, der geschützt werden soll, kann sehr leicht erzielt werden, und die Aufhängerichtung der Anodenanordnung kann auf

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besondere Anforderungen eingerichtet werden.

, Es leuchtet ein, daß viele Einzelheiten der oben beschriebenen Anodenanordnung je nach einzelnen Anforderungen und nach erhältlichen Materialien variiert werden können. So kann anstelle der Verwendung eines HeißschrumpfSchlauches ein alternatives Mittel zur Anfügung der Elektroden an dem Seil angewandt werden. Der Heißschrumpfschlauch ist aber ein einfaches und wirksames Mittel zur Erzielung dieses Zwecks.

Nun werden die Figuren 6, 7 und 8 betrachtet; Figur 6 zeigt eine Seitenansicht eines Ölbohrturmaufbaus mit Anodenanordnungen, die mit dem Bezugszeichen A bezeichnet und bei einem bestimmten Niveau in dem Bohrturm angeordnet sind, wobei jede Anodenanordnung A mit einem Verbindungsglied M in der Mitte des Bohrturms verbunden ist.

Aus Figur 7 ist ersichtlich, daß fünf Anodenanordnungen in einer Halbkegelform angeordnet sind, und Figur 8 zeigt die Befestigungseinrichtung für die zwei Anordnungen in der Ebene des Schnitts, der durch die Linie 8-8 in Figur 7 angedeutet ist.

Beim Installieren von Anodenanordnungen, beispielsweise in einem Ölbohrturmaufbau, können Komponenten wie zum Beispiel Beilagscheiben zum Beispiel aus einer angemessenen Qualität von "Tufnol" bestehen, und Bolzen können aus Titan bestehen, das durch Wasser oder Elektrolytwirkung nicht beeinträchtigt wird.

Im allgemeinen können bei Erwägung der Verwendung der Erfindung zum Vorsehen von kathodischem Schutz für einen Ölbohrturmaufbau alle Kabel für eine Gruppe von Anodenanordnungen (zum Beispiel die in den Figuren 6,

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und 8 dargestellten) zu dem Kellerdeckniveau innerhalb eines nichtmetallischen Schlauches heraufgeführt sein.

_.. ,. ,Der Schlauch kann aus PVC mit NyIonverStärkung bestehen und kann an einem geeigneten Vertikalglied in dem Ölbohrturmaufbau angeschnallt sein. Ferner können alle Glieder einer Gruppe von Anodenanordnungen, wenn sie sämtlich die gleichen Kabel- und Elektrodenlängen haben, leicht parallel an einen Gleichrichter angeschlossen werden, um den erforderlichen Gleichstrom zu liefern.

Einrichtungen an einem geeigneten Verbindungskasten sollten die Verwendung eines Ankrlemm-Amperemeters gestatten zur Kontrolle, daß sämtliche Anoden etwa den selben Strom abgeben.

Es leuchtet ein, daß die Anordnung einer Gruppe von Anodenanordnungen innerhalb eines bestimmten Niveaus des Aufbaus, beispielsweise eines Ölbohrturmsj in" starkem Ausmaß durch die Anordnung der Glieder bestimmt wird, welche den ölbohrturmaufbau bilden. Innerhalb dieser Beschränkung können die Anodenanordnungen so angeordnet werden, daß sie das Erfordernis für Kathodenschutz-Belastungs- und -stromverteilung erfüllen, um einen angemessenen Korrosionswiderstand des Aufbaus zu erzielen, der geschützt werden soll.

In Figur 9 kann eine allgemein mit 30 bezeichnete Bezugselektrode über dem Seil 5 angeordnet sein. Eine derartige Elektrode ermöglicht die Messung des Potentials des geschützten Aufbaus innerhalb eines kleinen Umkreises, etwa eines Umkreises von 0,5 bis 1 m. Die Elektrode 30 kann unter Verwendung einer Standardelektrode vor der Verwendung geeicht sein, und ein Rückkopplungssystem kann dazu ausersehen sein, Information von der Elektrode 30 zu einem automatischen Gleichrichter weiterzugeben, der dann den Strom, welcher durch den Elektrodenbereich 8 der Anodenanordnung

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geliefert wird, verstellt entsprechend Änderungen des Potentials in dem geschützten Aufbau, das durch die

■■'·.· " Bezugselektrode 30 überwacht wird. Die Elektrode 30 umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches Glied 26, das aus Zink hohen Reinheitsgrades gebildet ist und einen durch dieses hindurchlaufenden Kern 25 aus verzinktem Stahldraht aufweist. Ein durch einen Heißschrumpfschlauch geschützter verzinkter Stahldraht 27 führt von der Elektrode 30 zu einer geeigneten Klemmverbindung 28 für elektrische Kabel. Die Elektrode 30 wird an ihrer Stelle auf dem Seil 5 gehalten mittels Heißschrumpfschläuchen 24 und 29. Der Heißschrumpfschlauch 29 hat eine ausreichende Länge, um ein Ende der Elektrode 30 und den Draht 27 zusätzlich zu der Quetschverbindung 28 zu überdecken.

Es leuchtet ein, daß die Elektrode 30 von Figur 9 an jedem gewünschten Punkt auf dem Seil 5 der Anodenanordnung positioniert werden kann. Es ist natürlich vorzuziehen, die Bezugselektrode so nahe wie möglich an dem Abschnitt des zu schützenden Aufbaus zu plazieren, dessen Potential gemessen werden soll. Die Erfindung umfaßt die Anwendung derartiger Bezugselektroden an einem oder beiden Enden einer Anodenanordnung (oder, falls mehr als zwei Seilverlängerungen in der Anodenanordnung vorhanden sind, an jedem Ende). Es leuchtet ein, daß die Verwendung derartiger Bezugselektroden in Verbindung mit der Anodenanordnung der Erfindung es ermöglicht, ein äußerst flexibles System zum kathodischen Schutz eines Aufbaus, welcher untergetaucht ist, zu entwerfen.

Es ist bereits Bezug genommen worden auf eine Bezugselektrodenanordnung, bei welcher eine oder mehrere, vorzugsweise viele solcher Bezugselektroden an einem Seil positioniert sind (das nicht das Seil einer Anodenanord-

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nung der Erfindung ist). Es ist ersichtlich, daß die oben beschriebene Bezugselektrode (Figur 9)und ihr zugeordnetes elektrisches Kabel, das Heißschrumpfschläuche zu Schutz-, Befestigungs- und Positionierzwecken verwendet, sich direkt zur Einarbeitung in solch einer Anordnung eignet. Solch eine Anordnung kann zum Beispiel von einem Ölbohrturm bei einem Punkt ausreichend weit unterhalb der Meeresoberfläche geschlungen sein, um Schlechtwetterzustände zu vermeiden (etwa 15 bis 30 m_f zum Beispiel 20 m unter der Oberfläche), und kann so lang sein wie gewünscht (zum Beispiel 100 bis 200 m, etwa 150 m). Die Anordnung kann annähernd die gleiche Lebensdauer wie die Anodenanordnung der Erfindung haben (z.um Beispiel 5 Jahre) und kann auf diese Weise nütz-

]5 liehe kurzfristige bis mittelfristige Hinweise geben auf das Potential eines Aufbaus, welchem kathodischer Schutz erteilt wird, bis eine Form eines "permanenten" Bezuges installiert werden kann.

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Claims

Ansprüche:

(ij, Untertauchbarer Aufbau, der mit einer kathodischen Schutzeinrichtung versehen ist, gekennzeichnet durch eine flexible Einprägstrom-Anodenanordnung, die eine um einen Träger (5) gewickelte längliche Elektrode (6) aufweist, um einen anodischen Bereich zu schaffen, sowie Seilverlängerungen, die sich von dem anodischen Bereich in wenigstens zwei verschiedenen Richtungen erstrecken und an dem Aufbau so befestigt sind, daß der anodische

Bereich einen Abstand vom Metall des zu schützenden Aufbaus hat.
2. Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (6) ein Titansubstrat mit einem anodisch aktiven Überzug umfaßt, wobei die Anordnung so an dem Aufbau befestigt ist, daß der anodische Bereich von dem Metall des zu schützenden Aufbaus entfernt ist.
3. Aufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (6) die Form eines Drahtes hat.
4. Aufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht ein platinisierter Titan-Kupferkern-Draht ist.
5. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger für Elektrizität leitend ist.

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6_β Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger für Elektrizität nichtleitend ist.
7. Aufbau nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5) und die Seilverlängerungen aus dem gleichen Material bestehen.
8. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die SeilVerlängerungen aus Polypropylen oder Polyester bestehen.
9. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei SeilVerlängerungen vorhanden sind, die sich in im wesentlichen entgegengesetzten Rich tungen erstrecken.
10. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Ölbohrturm oder ein Teil davon ist.
11. Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen der Beschreibung entspricht.
12. Einprägstrom-Anodenanordnung, die sich zur Verwendung als die in Anspruch 1 definierte kathodische Schutzeinrichtung eignet und einen anodischen Bereich aufweist, gekennzeichnet durch eine längliche Elektrode (6), die um ein Isolierseil (5) gewickelt ist, welches

durch den anodischen Bereich verläuft und sich von dort in wenigstens zwei verschiedenen Richtungen erstreckt.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlaglänge der Elektrodenwicklung mit der Schlaglänge des Seils übereinstimmt.
14_β Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen der Beschreibung entspricht.

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15. Einprägstrom-Anodensystem zum kathodischen Schutz eines untergetauchten Aufbaus, gekennzeichnet durch eine .. Vielzahl von Anodenanordnungen nach einem der Ansprüche 12 bis 14, die zu einem Gitterwerk (Harness) vorgefer-

5 tigt sind.
16. Untertauchbarer Aufbau mit einer kathodischen Schutzeinrichtung, gekennzeichnet durch ein Einpräg-

strom-Anödensystem nach Anspruch 10

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