Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
Corrosie en bescherming tegen corrosie van stalen damwanden
Door: J. Gulikers Bouwdienst Rijkswaterstaat Onderstaand de sheets zoals getoond tijdens het symposium. Ten aanzien sheet 3 is een aanvullende tekst opgenomen.
CORROSIE ENBESCHERMING TEGEN CORROSIE
VAN STALEN DAMWANDEN
Joost GulikersStafafdeling BouwspeurwerkRijkswaterstaat Bouwdienst
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 1/38
CORROSIE
STAAL ⇒ NIET CORROSIEVAST
ZEEWATER: 19 gram chloride per liter
- VOCHTIG
- AGRESSIEVE BESTANDDELEN
EXPOSITIE-OMSTANDIGHEDEN:
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 2/38
1 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
VERLOOP AANTASTINGSSNELHEID
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 3/38
Toelichtende tekst op sheet 3 “Verloop aantastingssnelheid”. Op sheet 3 wordt het verloop van de (relatieve) aantastingdiepte over de hoogte van een damwand getoond. Deze figuur is ontleend aan “Uhlig’s Corrosion Handbook” (editor R. Winston Revie) In deze figuur zijn twee duidelijke pieken in aantastingsnelheid te onderscheiden, namelijk een halverwege de zogenoemde spatzone en een relatief ondiep onder gemiddeld laagwaterniveau (Mean Low Tide). De piek in de spatzone is daarbij ca. 50% groter zijn dan die in de onderwaterzone. Hieruit zou kunnen worden geconcludeerd dat de spatzone maatgevend is ten aanzien van de levensduur van damwandconstructies. Hierbij moeten echter enkele kanttekeningen worden geplaatst. De achtergronden van de betreffende figuur zijn onvoldoende bekend, zoals geografische locatie, aard van de aantasting (lokaal of gelijkmatig), coating, expositieduur en specifieke expositie-omstandigheden, etc. De vraag is dus gerechtvaardigd in hoeverre deze figuur een representatief beeld geeft van het aantastingverloop op de stalen damwanden in de Texelse havens. In het algemeen geldt dat het volledige damwandoppervlak dat zich in de spatzone van een damwand bevindt zonder al te veel problemen en op ieder gewenst moment visueel kan worden geïnspecteerd. Eventuele beschadigingen of aantastingen kunnen daarmee in een vroegtijdig stadium worden gesignaleerd en geschikte beschermingsmaatregelen kunnen dan ook snel daarna worden genomen. In het algemeen kan worden volstaan met het coaten van de waargenomen beschadigde locaties, uitgevoerd vanaf de wal of eventueel vanuit een boot.
2 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
De praktijkervaring op damwanden duidt er echter op dat in de onderwaterzone aantasting door corrosie van zeer lokale aard kan optreden (putcorrosie) waarbij binnen een korte tijd een aanzienlijk verlies in staaldoorsnede kan optreden. Dit heeft tot gevolg dat in deze zone gaten in de damwand zullen vallen die niet door een simpele visuele inspectie kunnen worden opgespoord. Het moge duidelijk zijn dat dergelijke gaten vaak in een laat stadium zullen worden ontdekt, meestal pas nadat aanzienlijke grondverzakkingen e.d zijn opgetreden. Het is evident dat kathodische bescherming alleen effectief kan functioneren voor staaloppervlakken in de onderwater- en de getijzone. Gezien de hierboven beschreven problematiek biedt kathodische bescherming een praktische, langdurige en betrouwbare wijze van bescherming voor een groot deel van het damwandoppervlak. Het staaloppervlak in de spatzone zal echter door regelmatig conserveren moeten worden beschermd, maar dit kan door regelmatig uitgevoerde inspecties op de meest geschikte momenten worden uitgevoerd en tegen relatief lage kosten.
3 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
CORROSIE
PASSIEVE BESCHERMING
⇒ COATING
ACTIEVEBESCHERMING
⇒ KATHODISCHE BESCHERMING
CORROSIEVAST MATERIAAL ⇒
ROESTVAST STAAL
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 4/38
CORROSIE
ELEKTROCHEMISCHE WIJZE VAN CORROSIEBESTRIJDING
ANALYSEREN VAN CORROSIEPROCES
•HOE WERKT KB? “Jomanda-gehalte”
•HOE KAN DE WERKING WORDEN BEOORDEELD?
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 5/38
KATHODISCHE BESCHERMING:
CORROSIEPROCES
Fe+2
Fe+2
Fe+2
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-e-e-
e-
e-
e-e-
e-
e-
staa
l
zeew
ater
anodische reactie
Fe → Fe+2 +2e-
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 6/38
4 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
CORROSIEPROCES
kathodische reactie
2H2O + O2 +4e- → 4OH-O2
O2
O2
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-e-e-
e-
e-
e-e-
e-
e-
staa
l
zeew
ater
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 7/38
CORROSIEPROCES
Fe+2
Fe+2
Fe+2
e-
e-e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-e-
e-
e-e-
e-
e-e-e-
e- staa
l
zeew
ater
2Fe → 2Fe+2 +4e-
2H2O + O2 + 4e- → 4OH-
O2
O2
2Fe + 2H2O + O2 →
ROEST
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 8/38
2Fe(OH)2
Fe(OH)2
CORROSIEPROCES
e-
Fe+2
OH-
elektrolyt metaal
stroomkring
elektrisch circuit
II
ionen elektronen Voordracht Texel 20 oktober 2005; 9/38
5 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
POTENTIAALMETING-613.4 mV
V
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 10/38
BEÏNVLOEDING CORROSIEPROCESELEKTRONENPOMP
e-
e-e-
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-e-
e-e-Fe+2
OH-
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 11/38
KATHODISCHE BESCHERMING
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e- e-e- e- e- e-e- e-
e-
e- e-e- e- e- e-e- e- e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
OH-
anod
e
kath
ode
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 12/38
??
6 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
KATHODISCHE BESCHERMING
OPOFFERINGS-ANODEN
- inerte anoden
- elektrische installatie
- onedele metalen
- direct contact
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 13/38
OPGEDRUKTE STROOM
OPOFFERINGS-ANODEN
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e- e-e- e- e- e-e- e-
e-
e- e-e- e- e- e-e- e- e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
OH-
anod
e
kath
ode
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
anod
e
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 14/38
Fe+2
Me+z
Me+z
OPOFFERINGS-ANODEN
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
OH-
anod
e
dam
wan
d
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
-529.4 mV
V
e-
e-
e-
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-e-
e-
e-
e-
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 15/38
Fe+2
7 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
OPOFFERINGS-ANODEN
ZINK
ALUMINIUM
hoge eigen corrosiesnelheid
relatief lage elektrochemische capaciteit 780 Ah/kg
relatief hoge elektrochemische capaciteit 2400 Ah/kg
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 16/38
MAGNESIUM
zinkg
OPOFFERINGS-ANODEN
ELEKTROCHEMISCHE CAPACITEIThoeveelheid (nuttige) elektrische lading
per kg metaal dat in oplossing gaat
Al → Al+3 + 3e-
1 mol Al → 3 mol e-
26.96 gram Al → 289454 Coulomb
1 kg Al → 2982 Ah
1 Coulomb = 1 A per seconde
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 17/38
OPOFFERINGS-ANODENgemiddelde corrosiesnelheid van 100 µm per jaar komt
overeen met een corrosiestroomdichtheid van 86 mA/m2
per m2 kaal staaloppervlak is per jaar bescherming een aluminiumgewicht van 0.30 kg ofwel 0.11 dm3 nodig
per m2 kaal staaloppervlak is per jaar bescherming een ewicht van 0.90 kg ofwel 0.125 dm3 nodig
per m2 kaal staaloppervlak is een gemiddelde beschermstroomdichtheid van 80 mA/m2 nodig
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 18/38
8 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
0 100 200 300 400 500
beschermstroomdichtheid, iprot [mA/m2]
stro
omdi
chth
eid,
i [m
A/m
2 ] anodische reactie
kathodische reactie
KATHODISCHE BESCHERMING
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 19/38
KATHODISCHE BESCHERMING
0
20
40
60
80
100
0 100 200 300 400 500
beschermstroomdichtheid, iprot [mA/m2]
rela
tieve
aan
tast
ings
snel
heid
,P c
orr [
%]
anodische reactie
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 20/38
KATHODISCHE BESCHERMING
0
20
40
60
80
100
-850 -800 -750 -700 -650 -600
beschermpotentiaal, Eprot [V vs Ag/AgCl-zeewater]
rela
tieve
aan
tast
ings
senl
heid
,P c
orr [
%] anodische reactie
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 21/38
9 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
KATHODISCHE BESCHERMING ONTWERP
spatzone
getijzoneHW
LW
zeewater
beschermstroomdichthedenVoordracht Texel 20 oktober 2005; 22/38
bodem
bodem
KATHODISCHE BESCHERMING ZONE-INDELING
spatzone
getijzoneHW
LW
zeewaterONBESCHERMD
- spatzone
- achterzijde
-600 –800 mV (Ag/Ag/Cl/zeewater)Voordracht Texel 20 oktober 2005; 23/38
bodem
HW
LW
getijzone
KATHODISCHE BESCHERMING ONTWERP
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 24/38
10 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
KATHODISCHE BESCHERMING ONTWERP
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 25/38
zwerfstroom
• WILLEKEURIG MEDIUM• GEEN MATERIAALVERBRUIK
• (REGELBARE) CONTROLE
• BEPERKT AANTAL• AFSTAND
• MINDER ROBUUST
KATHODISCHE BESCHERMINGKWALITATIEVE VERGELIJKING
OPOFFERINGSANODEN• TOEPASSING BEPERKT• EENVOUDIG
• LEVENSDUUR
• WERKINGSGEBIED• GEEN CONTROLE
• POLARITEIT
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 26/38
OPGEDRUKTE STROOM
KATHODISCHE BESCHERMINGONTWERP
• DNV RP B401 (2005)• NORSOK• SHELL DEP. 37.19.30.30-Gen.• NPR 2727• NPR 6912• NEN-EN 12473• NEN-EN 12495
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 27/38
11 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
KATHODISCHE BESCHERMINGONTWERPCRITERIA
• STROOMVERBRUIK⇒
• STROOMVERDELING⇒
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 28/38
ANODEMASSA
ANODEWEERSTAND
KATHODISCHE BESCHERMINGONTWERP
• STROOMBEHOEFTE
• MASSA ANODEMATERIAAL
I A f iz z z= ⋅ ⋅
MI t
uoac gem sl=
⋅ ⋅⋅
, 8766ε
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 29/38
KATHODISCHE BESCHERMINGONTWERP
BEGIN EINDE
Meind = 0.1×Mbegin
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 30/38
l eind
= 0.
9×l be
gin
12 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
KATHODISCHE BESCHERMINGONTWERP
• STROOMBEHOEFTEaanvang/gemiddeld/einde
• BESCHERMINGSCRITERIUM< -800 mV
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 31/38
(MIC: < -900 mV)
KATHODISCHE BESCHERMINGONTWERP
• STROOMBEHOEFTEINITIAL 200 mA/m2
FINAL 130 mA/m2
AVERAGE 100 mA/m2
berekening totale massa aan aluminium gedurende gewenste
ontwerplevensduurVoordracht Texel 20 oktober 2005; 32/38
STROOMOUTPUT
U = 250 mV (oa)Ra: anodeweerstand [Ohm]
I URa
a
=
KATHODISCHE BESCHERMINGONTWERP
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 33/38
13 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
KATHODISCHE BESCHERMINGSTROOMVERDELING
stand-offflush mounted
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 34/38
ANODEWEERSTANDlong, slender stand-off; L > 4r
RL
Lra=
−
ρπ2
4 1ln
RL
Lr
rL
rL
rLa= + +
+ − +
ρπ2
2 1 12 2
12
2 2
ln
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 35/38
short, slender stand-off; L < 4r
ALUMINIUM OPOFFERINGS-ANODEN
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 30638
14 / 15
Symposium "Het aanbrengen van kathodische bescherming op de damwanden te Texel" Hotel Lindeboom, Den Burg, Texel, 20 oktober 2005
ALUMINIUM OPOFFERINGS-ANODEN
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 37/38
ANODEVERDELING HARLINGENANODEVERDELING ZIJVLEUGEL WEST
Voordracht Texel 20 oktober 2005; 38/38
15 / 15