DK156836B - Anode med en stor lineaer udstraekning til katodisk beskyttelse - Google Patents

Description

DK 156836 B

Opfindelsen vedrprer en anode af den i krav l's indled-ning angivne art.

Katodisk beskyttelse som et System for korrosionsstyring 5 af metalstrukturer, der anvendes i naturlige omgivelser, sâsom havvand, ferskvand eller jord, er velkendt og ud-nyttet. Det virker efter princippet med elektrokemisk reducering af oxygendiffusionen ved grænsekontaktomrâ-derne med den overflade, som skal beskyttes. Korrosionen 10 af metallet forhindres, nâr de oxiderende bestanddele i omgivelserne sâledes neutraliseres.

Katodisk beskyttelse kan frembringes ved at anvende offeranoder eller alternativt ved metoden med pâtrykt 15 str0m.

Ifplge denne sidste metode, pâ hvilken den foreliggende opfindelse er baseret, er den beskyttede struktur katodisk polariseret ved hjælp af en passende forbindelse 20 til den négative pol af en elektrisk str0mkilde, og anoden, som fortrinsvis er fremstillet af et dimensions-bestandigt materiale, som er modstandsdygtigt over for korrosion, er forbundet til den positive pol af den sam-me str0mkilde. Den resulterende str0mcirkulation medf0r-25 er oxygenreduktion ved katoden og oxidation af anionerne ved anoden. Pâ grund af den tilf0rte h0je spænding, af st0rrelsesordenen 30-40 V, kan anoderne placeres i en stor afstand fra overfladestrukturen. Antallet af n0d-vendige polarisationsanoder bliver derfor væsentligt re-30 duceret.

De specielt store dimensioner af overflader og struktur-er, som skal katodisk beskyttes, sâsom offshore-platfor-me, skrog, pipelines og borehuller, kræver anvendelse af 35 anodestrukturer, som kan strække sig op til adskillige meter, og som er i stand til at levere op til adskillige 2

DK 156836 B

hundrede ampere. Specielt i disse tilfælde er det n0d-vendigt at reducere det ohmske tab langs denne udstrakte anodestruktur for sa vidt muligt at tilfpre en lige stor spænding til hver eneste aktive anodesektion. Det ohmske 5 tab bpr ikke overskride 5-10% af den tilfprte spænding.

Et andet krav til den katodiske beskyttelse er at sikre den bedst mulige ensartede strpmfordeling over struktu-ren, som skal beskyttes, ved at tilpasse det elektriske 10 felt til de geometriske karakteristika af strukturen, og ved tilsvarende. at variera antallet af anoder og deres geometriske form samt rumlige placeringer i forhold til den beskyttede struktur.

15 Anoderne bpr altsâ opfylde f0lgende krav: De skal besid-de en stor mekanisk brudstyrke og være lette at transporter og installer. Deres totale elektriske resistans skal forblive lille ogsâ ved tilstedeværelsen af luftar-ter stammende fra elektrokemiske reaktioner, især ved 20 berpring med jordbund. De skal frembyde en stor elektro-kemisk resistans over for kemiske angreb fra aggressive stoffer som syre, oxygen, chlor, gældende ikke blot sel-ve anodelegemet, men ogsâ kabelforbindelserne til str0m-kildens positive.pol.

25

For de kendte materialer og udformningen af anoder gæl-der :

Grafit er typisk sk0rt og derfor ikke driftspâlideligt, 30 stpbt siliciumstâl er sk0rt og tungt og derfor ikke driftspâlideligt og besværligt at transportera, de plane overflader pâ stænger og cylindre er særlig ud-35 sat for elektrisk isolation fra jordbunden som f0lge af dannelsen af indesluttede gaslommer.

3

DK 156836 B

Formstofovertrækslag ved forbindelsessteder mellem ano-delegemer revner ved ældning til ugunst for anvendelsen af flere anodelegemer med fælles forbindelse til et en-kelt elektrisk kabel.

5

Anoder, der skal anvendes til katodisk beskyttelse i om-givelser med havvand, brakvand, ferskvand eller jord-bund, er ofte udsat for kraftige temperaturpâvirkninger (eksempelvis over 70 °C i dybe brpnde), mekaniske spæn-10 dinger (eksempelvis stpdpâvirkninger fra havb0lger, spændinger ved sætninger i jordlag) og korrosion som fplge af ovennævnte kemiske angreb. Derfor mâ anoder med en tilstræbt lang levetid og funktionsmulighed uden ef-tersyn besidde bâde en stor mekanisk og en stor kemisk 15 modstandsdygtighed.

Endvidere er det ofte n0dvendigt at installere de anodi-ske strukturer under specielt vanskelige betingelser, som skyldes klimaet eller afstanden fra servicecentre, 20 og de skal derfor være mekanisk robuste/ nemme at hând-tere og installere.

Stænger af grafit og st0bte jernsiliciumlegeringer, som ofte anvendes som anoder, er langt fra at indfri disse 25 krav, medens anoder af métal fra platingruppen belagt med titan er en hel del mere fordelagtige pâ grund af deres mindre vægt og deres bedre mekaniske egenskaber.

Problemerne i forbindelse med anvendelsen af nævnte 30 strukturer, specielt i jord, opstâr i forbindelse med kontaktmodstanden mellem anoden og jorden.

Den nævnte modstand har tendens til at 0ges med tiden pâ grund af gasudviklingen ved anodeoverfladen af nævnte 35 struktur. Denne gas er almindeligvis molekylar oxygen, som frembringes ved oxidation af anionerne ved anoden,

DK 156836 B

4 men den kan ogsâ være molekylar chlor, der nemt frem-bringes ved elektrolyse af vand indeholdende relativt lave chloridkoncentrationer.

5 Hvis anodens struktur ikke er indrettet til at fremme gasfrig0relsenf vil den udviklede gas s0ge at danne bli-vende gaslommer mellem anodeoverfladen og den omgivende jordbund. Herved for0ges modstanden imod str0mgennem-gangen betydeligt, og ved fuld "gasblokering" oph0rer 10 den katodiske beskyttelsesvirkning helt.

Dette pâvirker uundgâeligt effektiviteten af det katodiske beskyttelsessystem, specielt i dybe borehuller, hvori anoderne indsættes i lodrette huiler, som strækker 15 sig ind i jorden i en væsentlig længde og anbragt med intervaller af væsentlig længde ved siden af strukturen, som f. eks. en jordforbundet pipeline. I dette tilfælde bestâr anoderne af aflange lodrette strukturer, som nâr bemærkelsesvise dybder, som forhindrer gasudslipningen 20 fra anodesegmenternes lodrette overflade. Gasudviklingen har tendens til at stige gennem jorden langs overfladen af det overhængende anodesegment eller under aile om-stændigheder til at gennemtrænge jorden sâledes, at den elektriske ledningsevne yderligere reduceres.

25

Aile disse faktorer medf0rer i hovedsagen en hurtig 0g-ning af strukturens kontaktmodstand, hvilket reducerer effektiviteten og endog st0rre spændinger, og som f0lge deraf st0rre forbrug af energi og bringer anodemateria-30 lets elektrokemiske modstand i fare. Foroget tilf0rt spænding medfprer ofte overskridelse af nedbrydningspo-tentialet af den passive oxidfilm af nævnte anodiske ma-terialer, som udsættes for korrosion. Ved dette fænomen bliver ventilmetalanoden ofte perforeret, og effektfor-35 syningskablet udsættes for kontakt med de eksterne omgi-velser, som medfprer en hurtig korrosion af kablet.

5

DK 156836 B

Opfindelsen har til formai at afhjælpe aile de nævnte ulemper og tilvejebringe et anlæg til katodisk beskyt-telse bestâende af et antal anoder fordelt langs et ka-bel og forbundet med dette pâ en simpel og driftspâlide-5 lig mâde til dannelse af en fleksibel opbygning, der kan yde bâde en jævn str0mfordeling og en gasfrig0relse i havvand, ferskvand og jordbund.

Dette opnâs if0lge opfindelsen for en anode med en stor 10 lineær udstrækning af den indledningsvis angivne art, der er indrettet soin angivet i krav l's kendetegnende del.

Opfindelsen forklares nærmere nedenfor i forbindelse med 15 tegningen, hvor: fig. 1 viser en skematisk tegning af anoden if0lge opfindelsen, 20 fig. 2 viser en skematisk tegning af to anodesegmenter af den pâ fig. 1 viste anode if0lge en foretrukken udf0-relsesform af opfindelsen, fig. 3 viser et tværsnitsbillede langs linien III-III pâ 25 fig. 2, fig. 4 viser et billede af en udfoldet plade, som anven-des for anodeelementerne, medens 30 fig. 5 viser et tværsnitsbillede af den pâ fig. 4 viste udfoldede plade.

Opfindelsens anodestruktur (fig. 2) omfatter et isoleret effektforsyningskabel 2, som har en ledende kore 4 af 35 kobber eller aluminiumtrâde, der er dækket af en isole-rende flade af et elastomerisk materiale 5, sâsom synte-

DK 156836 B

6 tisk eller naturgummi, polyvinylchlorid, polyethylen, fluorerede vinylpolymere etc., som er i stand til at modstâ korrosion i mediet, hvor anoden anvendes.

5 For at 0ge kablets brudstyrke kan koren være fremstillet ved rebslâning med en indre gruppe af trâde, som er fremstillet af stâl med en h0j brustyrke, eller kablets ledende kore kan ogsâ helt være fremstillet af snoede stâltrâde.

10 .Kablets 2 ' s ene ende omfatter en passende terminal 6, der er indrettet til kablets elektriske forbindelse til effektforsyningens positive pol.

15 Kablet 2's anden ende kan være afsluttet med en titan-eller plasthætte 7, som S0rger for en tæt forsegling af den ledende kore fra kontakten med omgivelserne. Hætten kan med fordel være udstyret med en krog eller ring, som er indrettet til at fastgpre anodeenden, eller som er 20 indrettet for en vedvarende passende ballast. Den isole-rende hætte 7 kan med fordel være erstattet af et vand-tæt elektrisk stik, der g0r det muligt at sammenkoble to eller flere anodestrukturer i sérié, for at doble eller tredoble længden af anodestrukturen i overensstemmelse 25 med behovene.

Et antal af anodesegmenter 1, hvis antal og relative rumlige placering dikteres af anodens specifikke anven-delse, er anbragt koaksialt langs effektforsyningskab-30 let.

Mere præcist kan antallet af anodesegmenter og deres relative rumlige fordeling langs kablet 2 let være indrettet til at passe med behovet for at tilvejebringe en 35 konstant str0mtæthed over den overflade, som skal be- skyttes. Fordelingen af anodesegmenterne langs kablet

DK 156836B

7 afhænger i hovedsagen af det 0nskede elektriske felt mellem anodestrukturen og den strukturoverflade, soin skal beskyttes. En vigtig fordel af opfindelsens anode-struktur er den store fleksibilitet og den mulighed for 5 at afpasses efter en onsket længde.

Soin det fremgâr af fig. 2 omfatter hver anodeelement en por0s og gennemstrængelig hoveddel 1, som fortrinsvis bestâr af et pladegitter eller metalnet, der er svejset 10 til et eller flere 0rer 8, som igen er svejset til en manchet 3.

Anodeelementerne er fremstillet af ventilmetal, sâsom titan eller tantal eller legeringer deraf.

15

Den por0se og gennemtrængelige hoveddel 1 kan være cy-lindrisk eller pâ anden mâde hâve forskellige vilkârlige tværsnit, sâsom kvadratisk, polygonalt stjerneformet osv., eller kan være frembragt ved hjælp af strimler af 20 metalnet, som svejses til et eller flere 0rer 8.

Nettet eller netsegmenterne, som danner den por0se og gennemtrængelige hoveddel 1, er belagt med et lag af elektrisk ledende og anodisk modstandsdygtigt materiale, 25 sâsom métal h0rende til platingruppen eller oxider deraf, eller andre ledende metaloxider, sâsom spineller, perowskiter, delafossiter, bronze, etc. En speciel ef-fektiv belægning omfatter et termisk belagt lag af blan-dede oxider af ruthénium og titan i et metalforhold be-30 stâende af mellem 20% Ru og 80% Ti eller 60% Ru og 40%

Ti.

Mindre mængder af andre metaloxider kan ogsa være til stede i Ru/Ti-oxidstrukturen.

35

DK 156836 B

8

Hvert anodeelement kan være præfabrikeret og derefter indf0rt koaksialt over effektforsyningskablet 2, eller hoveddelen 1 kan være svejset til 0rer 8, efter at man-chetten 3 er fastgjort til effektforsyningskablet.

5

Den elektriske forbindelse mellem den ledende kore i det isolerede kabel 2 og hvert anodesegment 1 frembringes ved f0rst at fjerne det isolerende plastlag 5 over kab-lets ledende kore 4 i en bestemt længde sv_arende til 10 manchetten 3's centrale del. Manchetten 3 klemmes derefter over de fjernede dele 3a og 3b af effektforsyningskablet 2 og over de hosliggende isolerede dele 3c og 3d af det isolerende lag 5 sâledes, at der frembringes en tæt forsegling af den elektriske forbindelse.

15

Klemningen af metalmanchetten 3 frembringes ved at redu-cere manchettens omkreds ved hjælp af et radiait virken-de kolddeformeringsværkt0j.

20 Beskyttende lag, som udg0res af segmenter af varmekrym-peligt plastr0r, som f. eks. bestâr af fluorerede ethy-len- og propylencopolymere, kan trækkes over forbindel-sen mellem manchetten 3 og kablet 2 og opvarmes ved hjælp af en varmluftblæser, sâledes at laget krymper 25 over forbindelsen for at 0ge beskyttelsen af forbindel- sen imod de eksterne omgivelser. _

Som vist pâ figurerne 4 og 5 udg0res anoden, dvs. hoveddelen 1 af anodesegmenterne, af en gitterplade af et 30 ventilmetal, sâsom titan belagt med et lag af ledende materiale, som er modstandsdygtigt over for de anodiske betingelser, hvilken belægning tilf0res over aile over- * fladerne.

35 Opfindelsens anode udviser adskillige fordele med hensyn til konventionelle skinne- eller stanganoder.

9

DK 156836 B

Ved anvendelse i jorden gennemtrænger boremudder eller fyldningsmudder nemt den anodiske por0se og gennemtræn-gelige struktur, sâledes at der sikres en stor kontakt-overflade, og endvidere er kontaktoverfladen tredimen-5 sional, da den frembringes ved summen af aile kontakt-omrâderne, som er orienteret i forskellige rumlige pla ner. Kontaktoverfladen mellem anoden og den omgivende jord forpges derfor vaesentligt, og ogsâ i det tilfælde, hvor jorden tprrer ud eller hvor gasudvikling finder 10 sted ved anodeoverfladen forbliver kontaktomrâdet effek-tivt.

I virkeligheden finder den udviklede gas en nem mâde at undslippe anodenettet. De problemer, som er forbundet 15 med anvendelsen af massive skinner eller stanganoder, hvori overfladerne ikke kan gennemtrænges af mediet, er elimineret ved opfindelsens anoder.

Sammenlignelige katodiske beskyttelsesunders0gelser, som 20 er udf0rt i industrielle installationer, har overrasken-de vist, at kontaktmodstanden nedsættes med ca. 15% i begyndelsesfasen, og efter 3 mâneders anvendelse er kontaktmodstanden nedsat op til 25-30% i sammenligning med massive cylindriske anoder, nâr disse erstattes af por0-25 se anoder ifplge opfindelsen med samme yderdimensioner.

Eksempel

Der frembragtes en anodestruktur i overensstemmelse med 30 opfindelsen og omfattende ti anodesegmenter af den pâ fig. 2, 3, 4 og 5 viste type.

Anodesegmenterne blev fremstillet ved at anvende en cy-linder af en gitterplade af titan med en tykkelse pâ 1,5 35 mm og med en ekstern diameter pâ 50 mm, samt en længde pâ 1500 mm. Cylinderen af gitterpladen blev belagt med

DK 156836 B

10 et lag af blandede oxider af ruthénium og titan i et forhold pâ 1:1 i henhold til metallerne.

Gitterpladecylindrene blev svejset til titan0rer, som 5 blev svejset til et titanr0r med en indvendig diameter pâ 10 mm, og blev indsat pâ et effektforsyningskabel og blev kolddeformeret i en bestemt længde over kablets ledende kore, hvis isolerende lag pâ et tidligere tids-punkt var blevet fjernet, og titanr0ret blev anbragt 10 over kablets isolerende elastomere lag sâledes, at der frembragtes en tæt forsegling af den elektriske forbindelse,

Det gummiisolerede effektforsyningskabel havde en eks-15 tern diameter pâ ca. 8 mm, og havde en kore fremstillet af kobberfletning med et totalt metaltværsnit pâ ca. 10 mm2.

Mellemrummene mellem anodesegmenterne var konstant og 20 ca. 2 m lange. Den ene ende af kablet var afsluttet med en titanhætte, som blev kolddeformeret over det isolerende kabel sâledes, at koren blev forseglet fra omgi-velserne. Hætten blev udstyret med en titankrog. Kablets anden ende var afsluttet med et kobber0je, som er vel-25 egnet til forbindelsen til effektforsyningen.

Anodestrukturen blev indsat i en brpnd med en diameter pâ ca. 12,5 cm og en dybde pâ 40 m, og br0nden blev bo-ret i en jordbund med en gennemsnitlig specifik modstand 30 pâ 1000 ohm. cm. Efter indsættelsen blev br0nden fyldt med bentonitmudder.

Anoden blev anvendt til at beskytte omkring 15 km 20" gasr0rledning af stâl belagt med h0jdensitet polyethy-35 lensyntetisk gummi beliggende ca. 2m under jordoverfladen.

11

DK 156836 B

Den mâlte modstand af anodestrukturen i forhold til jor-den var 0,7 ohm ved begyndelsen og den af anoden afgivne str0m var 8 ampere med en forsyningsspænding pâ ca. 7,5 V. Efter tre mâneders drift blev modstanden malt til 5 0,82 ohm.

Der blev frembragt en referenceanodestruktur magen til opfindelsens anodestruktur, men bestâende af anodeele-menter fremstillet af massive r0rformede titancylindre 10 med de samme ydre dimensioner som anodenettet, og belagt pâ den ydre overflade med det samme elektrisk ledende materiale......

Ved opstarten blev modstanden malt til 0,8 ohm i forhold 15 til jorden, og efter tre mâneders anvendelse var den mâlte værdi op til 1,4 ohm.

20 25 30 35

Claims (3)

1. Anode med en stor lineær udstrækning omfattende et 5 isoleret effektforsyningskabel (2), hvis ene ende (6) kan forbindes med en effektforsynings positive pol, og med et antal anodesegmenter, der som anode har en leden-de og ikke-passiverbar overflade fordelt langs kablets længde, og som er indsat koaksialt med kablet og er 10 ulækbart elektrisk forbundet med det isolerede kabels ledende kore (4) uden afbrydelse af korens kontinuitet, kendetegnet ved, at anodesegmenter ne omfatter en ventilmetalkrop (1) belagt med et lag af ikke passi-verbart materiale, hvilken krop er por0s og gennemtræn-15 gelig for det medium, som er i kontakt med selve anoden.

2. Anode ifplge krav 1, kendetegnet ved, at' den por0se og gennemtrængelige krop (1) bestâr af en ekspanderet plade af titan, 20

3. Anode if0lge krav 1, kendetegnet ved, at hvert anodesegment omfatter en cylindrisk ventilmetal-manchet (3), via hvilken den por0se krop (1) er forbundet, og som er kolddeformeret over det por0se effektfor- 25 syningskabels (2) ledende kore (4) i en bestemt længde svarende til manchettens centrale del til dannelse af en elektrisk forbindelse, og kolddeformeret over kablets isolerende lag (5) ved manchettens ender til dannelse af en læksikker tætning for den elektriske forbindelse. 30 35