Chương Chống ăn mòn phương pháp bảo vệ catốt 3.1 Mở đầu Cơ sở lý thuyết phương pháp bảo vệ catốt ăn mịn điện hóa Hệ thống bảo vệ catốt gồm phận: - kết cấu cần bảo vệ (cathode), - anốt cung cấp bảo vệ, - chất điện phân (chẳng hạn nước biển) Thơng thường có loại anốt sử dụng Anốt hy sinh chế tạo từ hợp kim kẽm, nhôm vật liệu tương tự kim loại mạnh so với sắt thép dãy galvanic Do vậy, anốt hy sinh bị ăn mịn vị trí kết cấu cần bảo vệ (Hình 1) Hình Anode hy sinh Impressed current anodes appl y a potential difference by means of an external power supply, Fig lb During the electrochemical corrosion process, several anodic (oxidation) and cathodic (reduction) reactions occur Anốt dịng điện ngồi thiết lập chênh lệch hiệu điện thiết bị cung cấp điện từ bên ngồi (Hình 2) Trong q trình ăn mịn điện hóa phản ứng oxi hóa anốt (oxidation) phản ứng khử (reduction) catốt xảy Hình Anode dịng điện ngồi Trang 1/7 Phương pháp sử dụng anode hy sinh: Dùng kim loại (hay hợp kim) đứng trước chuỗi điện phân để tạo điện bảo vệ ngăn cản phản ứng điện hóa xảy kim loại cần bảo vệ Phương pháp sử dụng dòng điện cưỡng Nguyên lý tương tự trên, sử dụng dịng điện ngồi có sẵn Phản ứng oxi hóa ăn mịn cơng trình biển là: (1) phản ứng khử là: (2) Khi kết cấu kiểm soát hệ thống bảo vệ catốt thích hợp phản ứng anốt (ăn mịn) chuyển từ kết cấu sang anốt hy sinh anốt sử dụng dịng điện ngồi Dịng điện ngược lại với q trình điện hóa kết cấu trở thành catốt nơi xảy phản ứng (2) Trong trường hợp anốt hy sinh (chẳng hạn kẽm), vật liệu làm anốt tan chênh lệch điện sẵn có anốt kết cấu Tuy nhiên, việc sử dụng "trơ" cho anode bảo vệ cathode dòng điện gây phản ứng tạo khí (tức hydrogen) xảy anode (mà khơng làm ăn mịn kim loại) phản ứng cực âm (cathodic reaction) xảy cấu trúc bảo vệ Một khái niệm quan trọng việc bảo vệ ca-tốt có (thế nhiệt động hồi phục) tối thiểu phải vượt trước phản ứng xảy (và trước dịng điện xảy ra) Để mơ tả hệ thống bảo vệ cathode tốn học, khơng phải lập phương trình biểu diễn dịng điện truyền qua mơi trường (ví dụ nước biển), mà cịn cần lập nên phương trình biểu diễn phản ứng điện cực Các hình thức phương pháp bảo vệ catốt Trang 2/7 Hình Bảo vệ catốt dịng điện ngồi Hình Bảo vệ catốt anốt hy sinh Áp dụng thực tế: kết hợp với sơn phủ 3.2 Bảo vệ catốt anốt hy sinh Hai yêu cầu thiết kế: - Tổng khối lượng tịnh Anốt phải đủ để đáp ứng nhu cầu dòng điện tổng cộng suốt đời sống thiết kế - Bề mặt tiếp xúc với bên Anốt phải đủ để cung cấp dòng điện yêu cầu cuối đời sống thiết kế (khu vực phải đủ để đáp ứng nhu cầu dòng điện kết thúc sống thiết kế, bề mặt tiếp xúc với bên Anốt tính từ kích thước ban đầu Anốt, khối lượng tịnh, hệ số sử dụng anốt) Nội dung toán thiết kế anốt hy sinh: Số liệu thiết kế: * Loại Protector * Các thông số bảo vệ Anode thiết kế : + Điện dung anode (A.h/kg) ([1], Bảng 10.6) + Hệ số sử dụng anode u ([1], Bảng 10.8) + Tuổi thọ thiết kế tf = X năm (theo đơn hàng) * Các thông số kết cấu cần bảo vệ: vẽ thiết kế Tính tốn số lượng Anode : Các điều kiện để tính tốn số lượng Anode theo [1]: Điều kiện 1: Tổng khối lượng Anode lớn khối lượng yêu cầu Ma theo mục 7.7.1, trang 17, [1]: M N.m M a Icm t f 8760 (kg) u. (1) đó: Icm - Dịng điện u cầu trung bình, xác định theo mục 7.4.1, [1]: Ic ic fc A c Trang 3/7 với: ic - Mật độ dòng điện thiết kế (A/m2), phụ thuộc nhiệt độ môi trường độ sâu nước biển (tra bảng 10.2, [1]) fc - Hệ số phá hủy sơn (mục 6.4.2, [1]): fc a b.t a, b - Các thông số phụ thuộc vào đặc tính sơn độ sâu nước (tra bảng 10.4, [1]) t t f - Tuổi thọ công trình (năm) Ac - Diện tích bề mặt kết cấu cần bảo vệ (m2) t f - Tuổi thọ thiết kế (năm) u - Hệ số sử dụng anode - Điện dung đơn vị anode (A.h/kg) 8760: Số sử dụng/năm Điều kiện ([1], mục 7.8.4): Dòng điện cung cấp ban đầu anode ( Ia tot i ) phải lớn dòng điện yêu cầu suốt đời sống cơng trình ( Ici ), tức là: (2) Ia tot i N.Iai Ici Iai - dòng điện cung cấp ban đầu anode Điều kiện ([1], mục 7.8.4): Dòng điện cung cấp sau thời gian khai thác t f (năm) anode ( Ia tot f ) phải lớn dòng điện u cầu suốt đời sống cơng trình ( Icf ) , tức là: Ia tot f N.Iaf Icf (3) Dòng điện cung cấp ban đầu sau thời gian khai thác t f (năm) anode (mục 7.8.2, [1]): E 0c E 0a Ia i R Ia f E 0c E 0a R af : E 0c - Thế điện cực bảo vệ tối thiểu để bảo vệ thép trần khỏi bị ăn mòn (mục 5.4, [1]): E 0c 0,8V E 0a - Thế điện cực thiết kế đầu anode theo định cực so sánh Ag/AgCl/nước biển, E 0a 1,05V R , R af - Điện trở ban đầu sau thời gian khai thác t f (năm) anode, phụ thuộc vào loại anode, xác định theo bảng 10.7 mục 7.9.2, [1] Theo bảng 10.7, [1], R , R af tính tốn theo cơng thức phụ thuộc vào L - chiều dài anode, - mật độ điện trở mơi trường, bán kính đặc trưng anode Trang 4/7 Điều kiện ([1], mục 7.8.4): Điện dung cung cấp tổng cộng Anode ( Ca tot ) phải lớn điện dung yêu cầu sau: Ca tot N.Ca Icm t f 8760 (4) (5) Ca ma .u Trình tự xác định số lượng Anode theo điều kiện [1] - Bước 1: Từ điều kiện (1), số lượng anode : N1 Ma với m - khối lượng m anode chọn Xác định điện dung cung cấp 01 anode theo công thức (5) Bước 2: Với số lượng anode chọn bước 1, thực kiểm tra điều kiện 2, + Điều kiện 2: Ia tot i N.Iai Ici + Điều kiện 3: + Điều kiện 4: Ia tot f N.Iaf Icf Ca tot N.Ca Icm t f 8760 Nếu điều kiện kiểm tra khơng thỏa mãn phải chọn lại loại anode Bố trí lắp đặt anode cơng trình Việc lắp đặt anode phải tn theo dẫn Tiêu chuẩn, [3] Ví dụ, Jacket khoảng cách đặt anode đến nút không nhỏ 600mm Tài liệu thiết kế Báo cáo chi tiết (mục 7.13, [1]) bao gồm mục sau đây: Thiết kế sở (bao gồm tham chiếu đến tất chi tiết kỹ thuật dự án có liên quan, mã số tiêu chuẩn) Tính tốn diện tích bề mặt (bao gồm tài liệu tham khảo cho tất vẽ có liên quan, bao gồm sửa đổi số) Tính tốn dịng điện cần có (ban đầu / cuối đời sống cơng trình) - Tính tốn dịng điện rị rỉ (nếu có), (ban đầu / cuối đời sống cơng trình trung bình) Các tính tốn khối lượng tịnh u cầu tối thiểu anode Tính tốn điện trở Anode (ban đầu / cuối đời sống cơng trình) Tính tốn số lượng tối thiểu anodes yêu cầu (bao gồm dòng điện anode điện dung ban đầu cuối đời sống hệ thống) Tính tốn khối lượng anode mạng dựa số lượng yêu cầu anode (nếu có cao so với khối lượng yêu cầu anode net) Cách tính dịng điện tổng cộng dựa số lượng loại / kích thước lắp đặt Dự kiến anode thiết kế (bao gồm quy định đặc biệt cho cấu trúc toàn Trang 5/7 vẹn liên tục dòng điện Mọi yêu cầu yếu tố sử dụng cao giá trị mặc định Bảng 10-8 đánh dấu) Bản vẽ bố trí Anode Các quy định liên tục dòng điện, bao gồm cách kiểm tra (nếu có thể) 3.3 Bảo vệ catốt dịng điện ngồi * Sơ đồ ngun lý: * Vật liệu Anode: Sử dụng vật liệu bền, trơ: Than chì, sắt-Silic (hight silicon cast iron),bạch kim, gốm phủ oxít; - Đối với anode đặt đất đất lấp thường bổ sung thêm than để tăng tính dẫn điện dễ khí; * Dịng điện cưỡng lấy từ nguồn điện lưới pha hay pha, qua thiết bị nắn dòng thành chiều; - Ngồi ra, sử dụng nguồn khác phong điện, điện mặt trời … Nội dung tính tốn theo phương pháp chống ăn mịn dịng điện ngồi: - Xác định tổng dịng điện yêu cầu - Xác định tổng điện trở - Xác định điện nguồn điện ngoài: V=I.R Trong tài liệu “Introduction to Cathodic Protection” - J Paul Guyer, et all trình bày 13 bước tính tốn thiết kế hệ thống bảo vệ catốt dịng điện ngồi 3.4 So sánh phương pháp bảo vệ anốt hy sinh bảo vệ catốt dòng điện ngồi Phương pháp chống ăn mịn anốt hy sinh - Khơng u cầu dịng điện ngồi - Hệ thống đơn giản (không cần nguồn điện, biến áp, dây dẫn v.v) - Hệ thống làm việc tốt điện trở mơi trường thấp, cơng trình sơn kỹ, cơng trình tiếp cận được, sơn phủ khơng bị hỏng nhiều sau 5-10 năm - Có thể lắp đặt dễ dàng cơng trình di động Phương pháp chống ăn mịn dịng điện ngồi - Có thể thiết kế với điện áp dòng điện lớn - Cung cấp công suất bảo vệ lớn (Ampere/năm) - Cung cấp diện tích bảo vệ lớn - Có thể điều chỉnh dòng điện điện áp bảo vệ để phù hợp với thay đổi môi trường cơng trình - Có thể dễ dàng kiểm tra dòng điện điện áp bảo vệ Trang 6/7 - Có thể áp dụng cho cơng trình khơng có sơn phủ sơn phủ - * Một số trường hợp không dùng anode hy sinh yếu tố sau: Do dịng cung cấp anode hạn chế; Thơng thường bảo vệ bề mặt thép lớn không sơn phủ; Giá thành anode cao; Khi diện tích bảo vệ tăng lên, anode khơng đáp ứng yêu cầu bảo vệ; Dòng điện cung cấp anode giảm theo thời gian phát triển tảo, bùn, chất lắng đọng…; Khó kiểm tra hoạt động anode hy sinh Tài liệu tham khảo - Recommended Practice DNV-RP-B401: CATHODIC PROTECTION DESIGN, January 2005 DNV-RP-B101_CORROSION PROTECTION OF FLOATING PRODUCTION AND STORAGE UNITS_2007 API RP 2A-WSD - Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design_Oct 2007 Trang 7/7 23 - 41 Willowdale Place, Aberdeen, AB24 5AQ AF ‘Defender’ Anodes Al-Zn-In Aluminium Anodes - Sub-sea Structure, Harbour walls& Jetties (2) Examples of Central Core extension or ‘cow horn’ design Anode Code Anode Anode Length Width (mm) AFA 1190 (mm) Anode Depth (mm) Core Diameter (mm) Anode Weight (kg) Net/Gross* 1530 184 159 60 119/131 AFA 1190 1526 184 159 25 119/127 AFA 1200 2600 135 135 40 120/155 AFA 1480 2200 145 145 40 148/182 AFA 1480 2750 160 162 60 148/167 AFA 1680 2550 185 185 114 168/230 AFA 2400 2622 210 210 114 240/305 AFA 2600 2295 210 220 60 260/280 AFA 3300 2372 252 244 114 330/390 AFA 4350 2910 254 257 114 565/640 Anode materials/ manufacturing according to Det Norske Veritas DNV RP B401 * gross weight with 150mm core extensions each end (as shown in solid) Other insert bend configurations and tubular inserts available ‘Defender’ aluminium sacrificial anodes can be custom designed to suit your application We offer a selection of alloys, dimensions and inserts to suit your corrosion protection and fabrication requirements Contact us to discuss your requirements www.aberdeenfoundries.co.uk Tel: 01224 635435 Sales@Aberdeenfoundries.co.uk Fax 01224 624377 Aluminium and Zinc Castings Aluminium Offshore Anodes • Zinc & Al Marine Hull Anodes •Tank Anodes • Pipeline Anodes • Down-hole Centralisers and Clamps • Ballast Weights 06/06/2005 Rev 5.0Al data cowc 23 - 41 Willowdale Place, Aberdeen, AB24 5AQ AF ‘Defender’ Rigid Pipe Aluminium Bracelet Anodes Examples Anode Code Design Examples Anode ID (mm) Anode OD (mm) Length (mm) Anode Weight (kg) Net/Gross AFA B 200 114 194 416 20/25 AFA B200 235 335 240 20/25 AFA B350 328 408 290 35/42 AFA B350 435 515 280 35/47.5 AFA B550 520 610 310 55/69 570 660 295 55/71 512 592 450 61/85 363 453 860 75/90 411 491 804 120/142 Anode ID (mm) Anode OD (mm) Length (mm) Anode Weight (kg) Net/Gross AFA B186 168 244 368 18.6/20.4 AFA B399 219 307 413 39.9/42.2 AFA B350 435 515 280 35/47.5 AFA B550 520 610 310 55/69 AFA B550 550 640 300 55/69.5 614 754 400 142/162 Rigid pipes AFA B550 AFA B610 AFA B790 Fully Bolt on or One side Hinges Tapered ends Coninuity straps; Epoxy coat inside neoprene liner optional AFA B1200 Anode Code AFA B1420 Design Examples Rigid Pipes Weld On –/ Square end * All weights and dimensions are nominal Material Specification: AF Defender G3 AF Al-Zn-In-Si anode alloy Fe Si Cu Zn In Others Al 0.12 max 0.08-0.21 0.006 max 2.8 – 6.5 0.01 – 0.02 0.02 max remainder Potential –1.09* Volts Ag/AgCl Capacity (Amp Hrs) 2540* per Kg Density 2750Kg/m3 * AFDefender G3 alloy performance Data for long term test by DNV Certificate No S-4190 to DNV RP B401 Appendix B Call us on 01224 635435 for all your anode requirements Fax: 01224 624377 Aluminium and Zinc Castings • Aluminium Offshore Anodes • Zinc & Al Marine Hull Anodes •Tank Anodes • Pipeline Anodes • Down-hole Centralisers and Clamps • Ballast Weights AFA_Bracelet_Anodes_Sheet_2_RigidPipe_B1_rev1.doc ... anode hy sinh Tài liệu tham khảo - Recommended Practice DNV-RP-B401: CATHODIC PROTECTION DESIGN, January 2005 DNV-RP-B101_CORROSION PROTECTION OF FLOATING PRODUCTION AND STORAGE UNITS_2007 API RP... định tổng điện trở - Xác định điện nguồn điện ngoài: V=I.R Trong tài liệu “Introduction to Cathodic Protection? ?? - J Paul Guyer, et all trình bày 13 bước tính tốn thiết kế hệ thống bảo vệ catốt... điện gây phản ứng tạo khí (tức hydrogen) xảy anode (mà khơng làm ăn mịn kim loại) phản ứng cực âm (cathodic reaction) xảy cấu trúc bảo vệ Một khái niệm quan trọng việc bảo vệ ca-tốt có (thế nhiệt