NL9200653A - Inrichting voor kathodische bescherming tegen corrosie. - Google Patents

Description

INRICHTING VOOR KATHODISCHE BESCHERMING TEGEN CORROSIE

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor kathodische bescherming tegen corrosie van een door een elektrolytisch medium omgeven metalen lichaam, omvattende een in dat medium te brengen metalen anodelichaam dat in het medium een lagere elektrische rustpotentiaal heeft dan het te beschermen lichaam. Onder elektrische rustpotentiaal van een door een elektrolytisch medium omgeven metalen lichaam verstaat men de potentiaal van een vrij in dat medium geëxposeerd lichaam, dat wil zeggen dat het lichaam geen deel vormt van een elektrisch circuit.

De waarde van de rustpotentiaal wordt gewoonlijk uitgedrukt ten opzichte van een bepaalde standaardelektrode.

Kathodische bescherming tegen corrosie van een door een elektrolytisch medium, bijvoorbeeld zeewater, omgeven metalen lichaam, bijvoorbeeld een scheepsromp, met behulp van een metalen anode met een lagere elektrische rustpotentiaal, bijvoorbeeld een opofferingselektrode van zink, is op zich bekend. Bij toepassing van een zinkanode voor de bescherming van een stalen gecoate scheepshuid is deze anode bijvoorbeeld elektrisch kortgesloten met de scheepshuid. Met de bekende zinkanode kan corrosie van een uit een bepaalde metaalsoort gevormd lichaam veelal op adequate wijze worden tegengegaan. Naast deze kathodische bescherming met behulp van een opofferingselektrode, die bekend is als passieve bescherming, is ook een vorm van actieve bescherming bekend, waarbij een anode in de omgeving van het te beschermen metalen lichaam wordt gebracht, welke anode vervolgens op een zodanige elektrische spanning wordt gehouden dat oxidatiereacties aan het oppervlak van het te beschermen lichaam worden tegengegaan.

Aan de bekende inrichtingen voor kathodische bescherming is het bezwaar verbonden dat deze vaak het onthechten van op een te beschermen lichaam aangebrachte kunststoflaag bevorderen. Bekend is dat deze onthechting kan worden veroorzaakt door de hydroxide-ionen die ontstaan bij de kathodische reacties op het oppervlak van het te beschermen lichaam.

In tal van praktische situaties bestaat behoefte aan een inrichting voor kathodische bescherming, waarbij onthechting van een op een te beschermen metaal aangehecht kunststof niet optreedt. Daarnaast bestaat in tal van praktische situaties behoefte aan een inrichting voor kathodische bescherming van een lichaam dat meerdere metaalsoorten, met verschillende rustpotentialen in een bepaald medium, omvat. Zeeschepen, waarvan de romp is vervaardigd uit een koolstof-staal, zijn soms voorzien van bepaalde onderwater-apparatuur. Dergelijke apparatuur is vaak geplaatst in een roestvast stalen behuizing die noodzakelijkerwijs is voorzien van afdichtende overgangen naar een kunststofmateriaal.

Wanneer dergelijke onderwater-apparatuur vrij in zeewater wordt geëxposeerd kunnen verschillende vormen van corrosie optreden, waarbij met name spleetcorrosie een bedreiging voor de apparatuur vormt. Spleetcorrosie is een vorm van plaatselijke aantasting die optreedt als gevolg van verschillen in zuurstofgehalte van het elektrolytisch medium, in dit geval zeewater, in spleten of kieren, ten opzichte van het medium aan het grootste deel van het roestvast stalen oppervlak. In de spleet ontstaat een verarming aan zuurstof, en de onder normale omstandigheden aanwezige beschermende op het roestvast staal gevormde oxidehuid wordt plaatselijk in de spleet afgebroken, waarbij bovendien een galvanische werking tussen de spleet en de rest van het roestvast stalen oppervlak optreedt. In de spleet wordt de pH steeds lager door het vrijkomen van H+-ionen, met als gevolg een steeds sneller verlopende aantasting. Als gevolg van spleetcorrosie kan lekkage optreden.

Gebleken is dat een afdoende kathodische bescherming tegen corrosie van een dergelijke roestvast stalen behuizing met afdichtende overgangen naar een kunststofraateriaal met gebruikmaking van een bekende inrichting niet mogelijk is.

Met name het ontstaan van onthechting tussen aan een roestvast staal gehechte kunststof vormt een probleem.

Overeenkomstig de uitvinding wordt nu een in de aanhef omschreven inrichting verschaft, waarbij het te beschermen lichaam en het anodelichaam onderling elektrisch zodanig zijn verbonden door middel van een schakeling die ten minste een boven een bepaalde drempelspanning werkend gelijkrichterelement omvat, dat tussen het anodelichaam en het te beschermen lichaam een spanningsverschil bestaat dat ten minste gelijk is aan die drempelspanning maar kleiner is dan het verschil in rustpotentiaal van het te beschermen lichaam en het anodelichaam.

Door overeenkomstig de uitvinding het anodelichaam en de te beschermen lichamen onderling elektrisch te verbinden ontstaat een galvanisch koppel, waarvan de anodestroom wordt bepaald door de waarde van een voor dat koppel in te stellen evenwichtspotentiaal, die weer wordt bepaald door waarden van de rustpotentialen van de afzonderlijke te beschermen lichamen en het anodelichaam, alsmede door de snelheid waarmee de kathodische en de anodische reacties op de verschillende metalen plaatsvinden, door het beschikbare oppervlak van de afzonderlijke metalen en door de elektrische weerstand tussen de verschillende metalen. De snelheid van de kathodische en de anodische reacties op de verschillende metalen is onder meer afhankelijk van de gesteldheid van het elektrolytische medium (bijvoorbeeld het zoutgehalte, het zuurstofgehalte, de temperatuur en de stroomsnelheid van zeewater). Door nu overeenkomstig de uitvinding het anodelichaam en de te beschermen lichamen onderling elektrisch te verbinden middels een schakeling die ten minste één boven een bepaalde drempelspanning werkend gelijkrichterelement tussen twee van de verbonden lichamen omvat, waarbij de drempelspanning lager is dan het verschil in rustpotentiaal van die betreffende twee verbonden lichamen wordt bereikt, dat tussen die verbonden lichamen een constant spanningsverschil ontstaat, ongeacht de sterkte van de stroom door het gelijkrichterelement. Gevonden is nu dat door het beperken van het spanningsverschil dat mogelijk tussen twee metalen lichamen kan ontstaan het optreden van ongewenste verschijnselen zoals bijvoorbeeld onthechting wordt tegengegaan. De parameters van het toe te passen gelijkrichterelement worden bepaald door de afmetingen en de eigenschappen van het metaal van de te beschermen lichamen en de te gebruiken anode, en door de eigenschappen van het medium waardoor de lichamen worden omgeven. Een voor toepassing overeenkomstig de uitvinding geschikt halfgeleiderelement heeft een zodanige drempelspanning, dat het potentiaal- verschil tussen twee door dat gelijkrichterelement verbonden lichamen bij stroomdoorgang door het gelijkrichterelement wordt verlaagd, waarbij echter de potentiaalverlaging niet zo groot is dat een met het gelijkrichterelement verbonden te beschermen lichaam in het elektrolytisch medium aan anodische reacties onderhevig wordt.

De uitvinding betreft voorts een inrichting voor kathodische bescherming tegen corrosie van ten minste twee door een elektrolytisch medium omgeven te beschermen metalen lichamen, waarvan een eerste lichaam in dat medium een lagere elektrische rustpotentiaal heeft dan een tweede lichaam, omvattende een in dat medium te brengen metalen anodelichaam dat in het medium een lagere elektrische rustpotentiaal vertoont dan het genoemde eerste lichaam, waarbij het anodelichaam en de te beschermen lichamen onderling elektrisch zodanig zijn verbonden door middel van een schakeling die ten minste één boven een bepaalde drempelspanning werkend gelijkrichterelement tussen twee van de verbonden lichamen omvat, dat tussen de verbonden lichamen een spanningsverschil bestaat dat ten minste gelijk is aan die drempelspanning maar kleiner is dan het verschil in rustpotentiaal van die betreffende twee verbonden lichamen.

Een uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting overeenkomstig de uitvinding vertoont het kenmerk, dat het eerste lichaam is verbonden met het anodelichaam door een elektrische leiding welke het gelijkrichterelement omvat en het tweede lichaam in direct elektrisch contact met het eerste lichaam is verbonden.

Een volgend uitvoeringsvoorbeeld vertoont het kenmerk, dat het eerste lichaam in direct elektrisch contact met het anodelichaam is verbonden en het tweede lichaam is verbonden met het eerste lichaam door een elektrische leiding welke het gelijkrichterelement omvat.

Weer een volgend uitvoeringsvoorbeeld heeft het kenmerk, dat het eerste lichaam is verbonden met het anodelichaam door een eerste leiding welke een eerste gelijkrichterelement omvat en het tweede lichaam is verbonden met het eerste lichaam door een tweede elektrische leiding welke een tweede gelijkrichterelement omvat.

Weer een volgend uitvoeringsvoorbeeld wordt gekenmerkt doordat het eerste lichaam is verbonden met het anodelichaam door een elektrische leiding welke het gelijkrichterelement omvat en het tweede lichaam in direct elektrisch contact met het anodelichaam is verbonden.

Weer een volgend uitvoeringsvoorbeeld vertoont het kenmerk, dat het eerste lichaam in direct elektrisch contact met het anodelichaam is verbonden en het tweede lichaam is verbonden met het anodelichaam door een elektrische leiding welke het gelijkrichterelement omvat.

Weer een volgend uitvoeringsvoorbeeld vertoont het kenmerk, dat het eerste lichaam is verbonden met het anodelichaam door een eerste elektrische leiding welke een eerste gelijkrichterelement omvat en het tweede lichaam is verbonden met het anodelichaam door een tweede elektrische leiding welke een tweede gelijkrichterelement omvat.

Overeenkomstig de uitvinding omvat het gelijkrichterelement bijvoorbeeld een diode, of een transistor waarvan de basis afhankelijk van het type transistor met de collector of de emitter is doorverbonden.

Bij voorkeur is het gelijkrichterelement een Schottky-diode waarvan de doorlaatrichting overeenstemt met het verschil in rustpotentiaal van de door die diode verbonden lichamen.

Gevonden is dat een Schottky-diode vanwege zijn steile stroom-spanningskarakteristiek in het doorlaatgebied en zijn betrekkelijk lage drempelspanning (in de orde van 100-400 mV) bij uitstek geschikt is om verschillen in optredende spanningen tussen een zinkanode en een te beschermen metalen lichaam, bijvoorbeeld van roestvast staal, beide omgeven door zeewater, in een belangrijke mate op controleerbare wijze te verlagen.

In een inrichting voor kathodische bescherming van door een elektrolytisch medium, bijvoorbeeld zout water, in het bijzonder zeewater, omgeven metalen lichamen, bijvoorbeeld een eerste lichaam uit een koolstof-staal en een tweede lichaam uit een roestvast staal, omvattende een in dat medium aan te brengen en met de te beschermen lichamen middels een schakeling onderling elektrisch verbonden anodelichaam, bijvoorbeeld uit zink, is bij voorkeur het eerste lichaam in direct elektrisch contact met het anodelichaam verbonden en is het tweede lichaam verbonden met het eerste lichaam door een elektrische leiding welke een Schottky-diode omvat waarvan de doorlaatrichting overeenstemt met het verschil in rustpotentiaal van het tweede en het eerste lichaam.

Gevonden is dat in een dergelijke inrichting, waarbij een koolstof-stalen eerste lichaam en een roestvast stalen tweede lichaam kathodisch worden beschermd door een zinkanode, het tegengaan van corrosie optimaal is. Door de elektrische verbinding via de Schottky-diode van het roestvast stalen lichaam met het koolstof-stalen lichaam wordt een belangrijk deel van het in zeewater optredende spanningsverschil tussen de zinkanode en het roestvast stalen lichaam overbrugd, als gevolg waarvan de kathodestromen op het roestvast stalen lichaam worden gereduceerd.

Met een inrichting volgens de uitvinding is het mogelijk het materiaalverbruik door een opofferingsanode (bijvoorbeeld een magnesium-, zink-, of aluminiumanode) in belangrijke mate te reduceren ten opzichte van het materiaalgebruik in bekende inrichtingen. Daarnaast is de inrichting in het bijzonder geschikt om onthechting van kunststof-metaalverbindingen of van kunststof-coatings op een metaal in een elektrolytisch medium tegen te gaan. Doordat in een inrichting overeenkomstig de uitvinding het mogelijk is onthechting van coatings op een metaaloppervlak effectief te bestrijden maakt de uitvinding de toepassing van tot dusver ongeschikte verfsoorten en andere coatingmaterialen, die uit economische of milieu-overwegingen wellicht voorkeur verdienen, mogelijk.

De uitvinding heeft zowel betrekking op inrichtingen voor passieve als voor actieve kathodische bescherming.

Met een inrichting overeenkomstig de uitvinding is het mogelijk een door een elektrolytisch medium omgeven lichaam zowel actief als passief te beschermen, ook wanneer dat lichaam meerdere metalen bestanddelen met een verschillende rustpotentiaal omvat en/of is voorzien van afdichtende kunststof-aanhechtingen of coatings.

Met voordeel wordt een inrichting volgens de uitvinding zodanig ingericht dat deze steeds aan de feitelijke omstandigheden waarin het te beschermen lichaam verkeert, zoals bijvoorbeeld de temperatuur, het zoutgehalte en het zuurstofgehalte van zeewater, kan worden aangepast.

De uitvinding zal in het nu volgende nader worden toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden onder verwijzing naar de tekening.

In de tekening tonen: de figuren 1 t/m 6 verschillende uitvoeringsvoorbeelden van een inrichting voor kathodische bescherming van twee door een elektrolytisch medium omgeven metalen lichamen met een verschillende rustpotentiaal in dat medium, met behulp van een opofferingsanode; de figuren 7 en 8 schetsmatig enkele toepassingsvoorbeelden van een inrichting.

Figuur 1 t/m 6 toont een door een elektrolytisch medium 4 omgeven eerste lichaam 1, een tweede lichaam 2 en een anodelichaam 3, waarbij het eerste lichaam 1 een lagere rustpotentiaal heeft dan het tweede lichaam 2 en de anode 3 weer een lagere rustpotentiaal heeft dan het eerste lichaam 1.

In de figuren 1 t/m 3 is het tweede lichaam 2 elektrisch verbonden met het eerste lichaam 1 door middel van een leiding 6, terwijl het eerste lichaam 1 met de anode 3 is verbonden door middel van een leiding 5. In figuur 1 is het eerste lichaam 1 verbonden met de anode 3 via een diode 7, in figuur 2 is het tweede lichaam 2 verbonden met het eerste lichaam 1 door een diode 8 en in figuur 3 is het tweede lichaam 2 verbonden met het eerste lichaam 1 door een diode 8 en is het eerste lichaam 1 verbonden met een anode 3 door een diode 7. De pijlen in de figuren 1 t/m 3 stellen schematisch de optredende stromen voor.

In de figuren 4 t/m 6 zijn het eerste lichaam 1 en het tweede lichaam 2 afzonderlijk elektrisch verbonden via leidingen 5 respectievelijk 9. In figuur 4 is het eerste lichaam 1 via een diode 7 verbonden met anode 3. In figuur 5 is het tweede lichaam 2 via een diode 10 verbonden met de de anode 3 en in figuur 6 zijn het eerste 1 en het tweede lichaam 2 verbonden met de anode 3 via diodes 7 respectievelijk 10. De pijlen stellen weer symbolisch de optredende stromen voor.

In figuur 2 is voorts nog een coating 11 rondom een deel van het tweede lichaam 2 aangegeven. Gevonden is dat een inrichting volgens het uitvoeringsvoorbeeld van.figuur 2, waarin bijvoorbeeld het eerste lichaam 1 uit een koolstof-staal bestaat en het tweede lichaam 2 bestaat uit een roestvast staal waaraan een kunststoflaag 11 is gehecht, waarin de anode 3 een zinkanode is en waarin de diode 8 een Sehottky-diode is een bijzonder effectieve bescherming tegen onthechting van het kunststof 11 van het tweede lichaam 2 biedt.

Figuur 7 toont een voorbeeld van een toepassing van een inrichting in een koolstof-stalen schip 1 aan de buitenkant waarvan een roestvast stalen meetapparaat 12 galvanisch is verbonden met een roestvast stalen frame 2, welk frame 2 via een isolerende bevestiging 14 met het schip 1 is verbonden. Het apparaat 12 wordt met behulp van een aangehechte kunststofkap 11 waterdicht afgedicht. De scheepshuid 1 is galvanisch verbonden met een opofferingselektrode 3, de roestvast stalen behuizing 2 is met behulp van een elektrische leiding 6 waarin in serie twee diodes D1 en D2 zijn opgenomen verbonden met de scheepswand 1. Het spanningsverschil tussen het roestvast stalen frame 2 en de scheepswand 1 kan met behulp van de diodes D] en D2 en de schakelaars Ski en Sk2 worden ingesteld, afhankelijk van de omstandigheden, zoals bijvoorbeeld het zout- en zuurstofgehalte van het water 13. Condensatoren C] en C2 parallel aan de diodes D·] en D2 vlakken eventuele spanningsrimpelingen af.

Figuur 8 toont een ander voorbeeld van een toepassing van de inrichting, waarin de verwijzingscijfers weer dezelfde betekenis hebben als in figuur 7. In afwijking van figuur 7 is de scheepswand 1 niet in galvanisch contact, maar via een leiding 7 met de anode 3 verbonden, in welke leiding 7 diodes d3, d4, kort te sluiten door schakelaars Sk3 respectievelijk Sk4, zijn opgenomen. De figuur toont tenslotte nog een met een meetinstrument 16 verbonden meetelektrode 15 waarmee de mengpotentiaal van het galvanisch koppel, gevormd door scheepswand 1, roestvast stalen behuizing 2 en anode 3 kan worden bepaald, aan de hand waarvan de spanningsverschillen van anode 3 en behuizing 2 ten opzichte van het schip 1 met behulp van de diodes D3, D4 respectievelijk D1f D2 en de daarbij behorende schakelaars kunnen worden ingesteld. Het bedieningsgemak van de inrichting in figuur 8 wordt nog verhoogd wanneer de schakelaars Ski, Sk2, Sk3 en Sk4 worden bediend door een aan meetinstrument 16 gekoppelde meet-* en regelschakeling.

Claims (11)

1. Inrichting voor kathodische bescherming tegen corrosie van een door een elektrolytisch medium omgeven metalen lichaam, omvattende een in dat medium te brengen metalen anodelichaam dat in het medium een lagere elektrische rustpotentiaal heeft dan het te beschermen lichaam, waarbij het te beschermen lichaam en het anodelichaam onderling elektrisch zodanig zijn verbonden door middel van een schakeling die ten minste een boven een bepaalde drempelspanning werkend gelijkrichterelement omvat, dat tussen het anodelichaam en het te beschermen lichaam een spanningsverschil bestaat dat ten minste gelijk is aan die drempelspanning maar kleiner is dan het verschil in rustpotentiaal van het te beschermen lichaam en het anodelichaam.

2. Inrichting volgens conclusie 1 voor kathodische bescherming tegen corrosie van ten minste twee door een elektrolytisch medium omgeven te beschermen metalen lichamen, waarvan een eerste lichaam in dat medium een lagere elektrische rustpotentiaal heeft dan een tweede lichaam, omvattende een in dat medium te brengen metalen anódelichaam dat in het medium een lagere elektrische rustpotentiaal vertoont dan het genoemde eerste lichaam, waarbij het anodelichaam en de te beschermen lichamen onderling elektrisch zodanig zijn verbonden door middel van een schakeling die ten minste één boven een bepaalde drempelspanning werkend gelijkrichterelement tussen twee van de verbonden lichamen omvat, dat tussen de verbonden lichamen een spanningsverschil bestaat dat ten minste gelijk is aan die drempelspanning maar kleiner is dan het verschil in rustpotentiaal van die betreffende twee verbonden lichamen.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het eerste lichaam is verbonden met het anodelichaam door een elektrische leiding welke het gelijkrichterelement omvat en het tweede lichaam in direct elektrisch contact met het eerste lichaam is verbonden.

4. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het eerste lichaam in direct elektrisch contact met het anodelichaam is verbonden en het tweede lichaam is verbonden met het eerste lichaam door een elektrische leiding welke het gelijkrichterelement omvat.

5. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het eerste lichaam is verbonden met het anodelichaam door een eerste leiding welke een eerste gelijkrichterelement omvat en het tweede lichaam is verbonden met het eerste lichaam door een tweede elektrische leiding welke een tweede gelijkrichterelement omvat.

6. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk,, dat het eerste lichaam is verbonden met het anodelichaam door een elektrische leiding welke het gelijkrichterelement omvat en het tweede lichaam in direct elektrisch contact met het anodelichaam is verbonden.

7. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het eerste lichaam in direct elektrisch contact met het anodelichaam is verbonden en het tweede lichaam is verbonden met het anodelichaam door een elektrische leiding welke het gelijkrichterelement omvat.

8. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerkf dat het eerste lichaam is verbonden met het anodelichaam door een eerste elektrische leiding welke een eerste gelijkrichterelement omvat en het tweede lichaam is verbonden met het anodelichaam door een tweede elektrische leiding welke een tweede gelijkrichterelement omvat.

9. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het gelijkrichterelement een diode is.

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerkf dat het gelijkrichterelement een schottky-diode is waarvan de doorlaatrichting overeenstemt met het verschil in rustpotentiaal van de door die diode verbonden lichamen.

11. Inrichting volgens conclusie 2 voor kathodische bescherming van door een elektrolytisch medium, bijvoorbeeld zout water, in het bijzonder zeewater, omgeven metalen lichamen, bijvoorbeeld een eerste lichaam uit een koolstof- staal en een tweede lichaam uit een roestvast staal, omvattende een in dat medium aan te brengen en met de te beschermen lichamen middels een schakeling onderling elektrisch verbonden anodelichaam, bijvoorbeeld uit zink, met het kenmerk, dat het eerste lichaam in direct elektrisch contact met het anodelichaam is verbonden en het tweede lichaam is verbonden met het eerste lichaam door een elektrische leiding welke een Schottky-diode omvat waarvan de doorlaatrichting overeenstemt met het verschil in rustpotentiaal van het tweede en het eerste lichaam.