MATERIAALI- JA KALLIOTEKNIIKAN KOULUTUSOHJELMA KORROOSION JA MATERIAALIKEMIAN LABORATORIO
SAKU KOIVUNIEMI
KATODISEN SUOJAUKSEN ULOTTUMINEN JÄÄNMURTAJAN RUNGOLLA ITÄMEREN ERI OSISSA
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten.
Espoo 17.08.1999
Työn valvoja: Olof Forsén
Teknillinen korkeakoulu Professori Materiaali- ja kalliotekniikan
osaston kirjasto
PL 6200 (Vuorimiehentie 2) 02015 TKK
Työn ohjaajat: Jari Aromaa Arjo Harjula Dosentti Yli-insinööri
Tämä diplomityö on tehty Teknillisen korkeakoulun korroosion ja materiaalikemian laboratoriossa.
Professori emeritus Seppo Yläsaarta haluan kiittää hänen tuestaan opiskeluaikanani sekä erittäin mielenkiintoisista korroosionestotekniikan luennoista.
Professori Olof Forsénia haluan kiittää myös tuesta opiskelu-urani aikana sekä positiivisen ilmapiirin luomisesta laboratorioon.
Dosentti Jari Aromaalle erityiskiitokset lukuisista hyvistä neuvoista ja mielenkiinnosta työtäni kohtaan. Kiitokset myös TkL Antero Pehkoselle yhteisistä mittaushetkistä jäänmurtajilla.
Merenkulkulaitoksesta haluan erityisesti kiittää yli-insinööri Arjo Harjulaa mahdollisuudesta tutkia mielenkiintoista aihetta sekä työn rahoituksen järjestämisestä. Kiitokset myös sukeltajille Jukka Gröndahlille ja Rauno
Mutkalle, joita ilman tärkeät potentiaalimittaukset olisivat jäänmurtajilla jääneet tekemättä. Kiitos myös jään-ja monitoimimurtajien miehistöille heidän avustaan sekä erityisesti sähkömestari Onni Laitaselle Jm Kontiossa hänen kattavista muistiinpanoistaan, joista oli korvaamaton hyöty työn alkuvaiheessa.
Kiitokset myös vanhemmilleni, jotka ovat jaksaneet tukea ja kannustaa minua koko opiskelu-urani ajan.
Otaniemessä 17.08.1999 /2-i_
Saku Koivuniemi
Työn nimi: Katodisen suojauksen ulottuminen jäänmurtajan rungolla Itämeren eri osissa
Päivämäärä: 17.08.1999 Sivumäärä: 95
Osasto ja koulutusohjelma: Professuuri:
Materiaali- ja kalliotekniikan osasto
Materiaali- ja kalliotekniikan koulutusohjelma
Mak-85 Korroosionesto- tekniikka
Työn valvoja: Professori Olof Forsén
Työn ohjaajat: Dosentti Jari Aromaa, Yli-insinööri Aijo Harjula Avainsanat: Katodinen suojaus, suojauksen ulottuminen, Itämeri
Työssä tutkittiin katodisen suojauksen leviämistä anodien ympäristössä ja suojauksen ulottuvuutta jäänmurtajan rungolla murtovedessä sekä näihin vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi selvitettiin miten katodisen suojauksen toimivuutta Itämeren eri osissa voitaisiin parantaa.
Työn kirjallisuusosassa käsiteltiin katodisen suojauksen perusteiden lisäksi suojauksen mitoitusperusteita, potentiaali- ja virranjakaumia sekä suojauksen seurantaa. Tämän lisäksi esiteltiin jäänmurtajien katodisen suojauksen toteutusta ja seurantaa.
Kokeellisessa osassa käsiteltiin Teknillisen korkeakoulun korroosion ja materiaalikemian laboratoriossa suoritettujen sähkökemiallisten kokeiden perusteella suolapitoisuuden ja meriveden virtauksen vaikutusta korroosionopeuteen ja katodisen suojauksen suojavirran tarpeeseen. Suojavirran tarve murtovedessä on noin kaksi kertaa suurempi kuin valtameressä.
Suojauksen alkuvaiheen virta voi kuitenkin murtovedessä paljaalle teräkselle olla 20-kertainen verrattuna valtameren veteen. Virtausnopeuden kasvu lisää suojavirran tarpeen valtameren vedessä noin 10-kertaiseksi ja murtovedessä jopa 20-kertaiseksi.
Laboratoriossa suoritettiin myös kokeellista mallinnusta, jolla selvitettiin anodikilven, ylisuojauksen ja kalkkikerrostumien vaikutusta suojauksen ulottumiseen sekä suojavirran tarpeeseen. Jään- ja monitoimimurtajilla tehtyjen mittausten perusteella selvitettiin suojauksen leviämistä anodin ympäristössä sekä suojauksen ulottumista koko aluksen rungolla Itämeren eri osissa todellisissa liikennöintiolosuhteissa. Potentiaalijakauma ei murtovedessä ole paljaalle teräkselle ideaalinen ja anodin lähialueet ovat selvästi ylisuojattuja.
Jäänmurtajien katodinen suojaus Itämeressä on pääasiassa keskitettävä laiturissaoloaikaan, jossa suojausta voidaan parantaa riippuvilla anodeilla. Jos katodista suojausta halutaan jäänmurtajissa käyttää Perämerellä, on mekaanista rasitusta ja huomattavaa ylisuojausta kestävien anodikilpien käyttö anodien ympärillä ehdoton vaatimus suojauksen toimivuudelle. Anodikilven vaikutus on merkittävämpi murtovedessä, jossa se vähentää suojavirran tarvetta noin 70-80 %.______________
Author: Saku Juhani Koivuniemi
Title of thesis: The distribution of cathodic protection on icebreaker's hull in the different parts of the Baltic Sea
Date: 17.08.1999 Number of pages: 95
Department: Chair:
Department of Materials Science and Rock Engineering
Mak-85 Corrosion and Materials Science
Supervisor: Professor Olof Forsén
Instructors: Jari Aromaa, Dr.Sc., Arjo Haijula, Chief Naval Architect Keywords: Cathodic protection, distribution of protection, the Baltic Sea
This thesis deals with the distribution of cathodic protection around the anodes and the length of protection on an icebreaker's hull in brackish water and factors affecting these. How the operation of the cathodic protection in the different parts of the Baltic Sea could be improved was also clarified.
The theoretical section of the thesis covers the criteria and dimensioning of the cathodic protection as well as potential and current distribution and monitoring of the cathodic protection.
In addition to this, the implementation and monitoring of the cathodic protection of icebeakers is presented.
In the experimental section, electrochemical tests were carried out at the Laboratory of Corrosion and Material Chemistry at Helsinki University of Technology. On the basis of these tests, the influence of salinity and flow rate on the corrosion rate and current demand of the cathodic protection was found. The protection current demand in brackish water is twice that required in ocean water. For the same protected length, the initial current demand for bare steel can be 20 times higher in brackish water than in ocean water. Flow increases the protection current demand in ocean water by a factor of ten and in brackish water by as much as a factor of twenty.
Physical scale modelling tests were also carried out at the laboratory. The aim of these tests was to resolve the influence of dielectric anode shielding, overprotection and prepolarized Ca- deposits on the length of protection and the protection current demand. Measurements made in icebreakers and multi-purpose vessels clarified the distribution of the cathodic protection both around the anodes and on the ship's hull in real operating conditions in the different parts of the Baltic Sea. In brackish water the potential distribution is not ideal for bare steel and overprotection near the anode is clear.
The cathodic protection of iceabreakers in the Baltic Sea has to be focused mainly on the time in harbour, where the protection level can be improved by additional hanging anodes. If one wants to use the cathodic protection on icebreakers in the Baltic Sea, it is necessary to use dielectric anode shields around the anodes. Dielectric anode shields must withstand both mechanical stress and considerable overprotection. Dielectric anode shields have a stronger effect when salinity decreases. They lower current demand by 70-80 %.__________________________________________
JOHDANTO 1
IKIRJALLISUUSOSA 3
1 MERIVESI KORROOSIOYMPÄRISTÖNÄ 3
1.1 Kemiallinen koostumus 3
1.2 pH 5
1.3 Liuenneet kaasut 5
1.4 Lämpötila 7
1.5 Sähkönjohtokyky 8
1.6 Virtausnopeus 9
2 KATODISEN SUOJAUKSEN TEOREETTISET PERUSTEET 10
3 KATODISEN SUOJAUKSEN PERIAATE 13
4 KATODISEN SUOJAUKSEN TOTEUTUS 16
5 KATODISEN SUOJAUKSEN MITOITUSPERUSTEET 19
5.1 Suunnittelu 19
5.2 Suojapotentiaali 22
5.3 Suojavirrantiheys 23
5.4 Pinnoitteet 26
5.5 Saostumien muodostuminen 27
6 KATODISEN SUOJAUKSEN SEURANTA 28
7.3 Virranjakaumat 34
7.3.1 Anodikilpi 35
8 KATODISEN SUOJAUKSEN TOTEUTUS JÄÄNMURTAJISSA 37
8.1 Suojausjäijestelmä 37
8.1.1 Virtalähteet 38
8.1.2 Anodit 39
8.1.3 Referenssielektrodit 40
8.2 Suojauksen seuranta 41
II KOKEELLINEN OSA 44
9 SÄHKÖKEMIALLISET MITTAUKSET 46
9.1 Laitteisto 49
9.2 Mittausten suoritus 50
9.3 Polarisaatioajojen tulokset 52
9.4 Polarisaatiovastusmittausten tulokset 55
9.5 Saliniteetin vaikutus korroosiopotentiaaliin 57
9.6 Mittausten suoritus 57
9.7 Mittaustulokset 58
10 KOKEELLINEN MALLINNUS 61
10.1 Laitteisto 61
10.2 Mittausten suoritus 63
10.3 Suojauksen ulottuminen laskennallisella suojavirralla 64 10.4 Anodin ja ohjaavan referenssielektrodin välisen etäisyyden vaikutus 65
10.5 Anodikilpi 67
10.6 Kalkkikerrostumat 71
10.7 Ylisuojaus 72
11 MITTAUKSET JÄÄNMURTAJILLA
11.1 Jään-ja monitoimimurtajien katodisten suojausjärjestelmien kuvaus
75 75
11.2 Potentiaalimittausten suoritus 11.3 Suojauksen leviäminen anodista
11.4 Suojauksen leviäminen jäänmurtajan rungolla
11.5 Pilkkimällä ja potentiaalipistoolilla mitattujen potentiaaliarvojen ero
12 YHTEENVETO
13 PARANNUSEHDOTUKSET
14 KIRJALLISUUSVIITTEET
80 81 83 85
88
90
92
JOHDANTO
Jäissä kulkevien alusten toimintakyky riippuu hyvin paljon niiden rungon pinnan kunnosta. Jäänmurtajissa on rungon pinnan karheuden estämiseksi käytetty me
nestyksekkäästi jo usean vuosikymmenen ajan maalauksen ja katodisen suojauksen yhdistelmää, jolloin katodisella suojauksella on suojattu niitä kohtia, joissa maalipinta on vaurioitunut tai joita ei ole voitu maalata. Uusimmissa ns. uuden teknologian jään- ja monitoimimurtajissa on lisäksi vesilinjassa ruostumaton com
pound-vyöhyke jään aiheuttamaa kitkaa pienentämässä. Maalauksen, katodisen suojauksen ja compound-vyöhykkeen yhdistelmällä on säästetty kustannuksia, sillä mm. telakointivälejä on tällöin saatu pidennettyä.
Jäänmurtajien toimintakausi ajoittuu pääasiassa talviaikaan. Noin puolet vuodesta ne ovat paikallaan Katajanokan jäänmurtajalaiturissa. Tämä asettaa luonnollisesti kato
diselle suojausjärjestelmälle erilaisia vaatimuksia. Katodisen suojauksen toimivuutta Itämeren eri osissa liikennöivissä aluksissa ei kuitenkaan ole aikaisemmin tutkittu.
Varsinkin katodisen suojauksen leviämisestä aluksen rungolla ja erityisesti anodien ympäristössä ei ole tutkimustuloksia. Tämän työn tarkoituksena on selvittää ensisi
jaisesti näitä kysymyksiä.
Itämeren murto veden alhainen suolapitoisuus merkitsee suurta happipitoisuutta ja huonoa johtokykyä. Suuri happipitoisuus lisää teräksen korroosionopeutta ja täten katodisen suojauksen suojavirran tarvetta. Huono johtokyky eli suuri ominaisvastus taas vaikeuttaa katodisen suojauksen ulottuvuutta ja lisää yksittäisen anodin syöt
tämän suojavirran tarvetta. Lisäksi suojavirran tarvetta lisäävät jään aiheuttamat maalivauriot ja laivan nopeuden muutokset sekä uusimmissa jään- ja monitoimi
murtaj issa ruostumattomasta teräksestä valmistetut potkurit ja compound-vyöhyke.
Tässä työssä selvitetään katodisen suojauksen toimivuutta vaikeuttavien tekijöiden vaikutuksia suojauksen leviämiseen, suojavirran tarpeeseen ja korroosionopeuteen
murtovedessä sekä miten katodisen suojauksen toimivuutta Itämeren eri osissa voi
taisiin parantaa.
Työn kiijallisuusosa käsittelee katodisen suojauksen perusteiden lisäksi suojauksen mitoitusperusteita, potentiaali- ja virranjakaumia sekä suojauksen seurantaa. Jään
murtajien katodisen suojauksen toteutus ja seuranta on myös esitelty omassa kap
paleessaan.
Kokeellisessa osassa käsitellään Teknillisen korkeakoulun korroosion ja mate
riaalikemian laboratoriossa suoritettujen sähkökemiallisten kokeiden perusteella suolapitoisuuden ja meriveden virtauksen vaikutusta korroosionopeuteen ja kato
disen suojauksen suojavirran tarpeeseen sekä suolapitoisuuden vaikutusta suo
jauksen leviämiseen. Jään- ja monitoimimurtajilla tehtyjen mittausten perusteella selvitettiin suojauksen leviämistä anodin ympäristössä sekä suojauksen ulottumista koko aluksen rungolla Itämeren eri osissa todellisissa liikennöintiolosuhteissa.
I KIRJALLISUUSOSA
1 MERIVESI KORROOSIOYMPÄRISTÖNÄ
Merivesi on ainoa luonnossa esiintyvä elektrolyytti, jossa on suuri suolapitoisuus.
Yleisesti luonnon merivedet jaotellaan kolmeen eri ryhmään, puhdas valtameren vesi, puhdas murto vesi ja saastuneet meri-ja murtovedet /1/.
Meriveden syövyttävyyteen vaikuttavat tekijät voivat olla kemiallisia, fysikaalisia tai biologisia. Kemiallisia tekijöitä ovat mm. pH, liuenneet kaasut ja suolapitoisuus, joka ensisijaisesti vaikuttaa meriveden syövyttävyyteen. Fysikaalisia tekijöitä ovat mm. lämpötila ja virtausnopeus. Biologinen toiminta muuttaa meriveden happipi
toisuutta ja muodostaa kerrostumia metallin pinnalle ja voi täten vaikuttaa meriveden syövyttävyyteen. Muita syövyttävyyteen vaikuttavia tekijöitä ovat mm.
saastuneiden satamavesien erilaiset epäpuhtaudet /1,2/.
Itämeren alueella on merivedessä selviä alueellisia vaihteluita. Perämeren lähes makeassa vedessä on matalampi suolapitoisuus kuin Suomenlahden vedessä, mutta Perämeren veteen on liuenneena enemmän happea. Perämeren veden alhaisesta suolapitoisuudesta johtuen merivesi johtaa erittäin huonosti sähköä, mikä vaikeuttaa katodisen suojauksen toimivuutta.
1.1 Kemiallinen koostumus
Meriveden suolapitoisuus ilmoittaa liuenneiden suolojen kokonaismäärän yhdessä kilossa merivettä ja sitä kuvataan termillä saliniteetti S (g/kg tai %o). Saliniteetti las
ketaan meriveden kloridipitoisuudesta (g/kg) yhtälön (1) mukaan. Tässä yhtälössä on myös bromidit ja jodidit laskettu klorideina /1/.
S = 0,03 + 1,805 x kloridipitoisuus (1)
Valtamerien suolapitoisuus vaihtelee välillä 32-36 %o ja keskimääräisenä arvona käytännön laskelmissa pidetään yleensä 34 %o, joka vastaa kloridipitoisuutta 19 %o.
Murtoveden suolapitoisuus on pienempi kuin valtameren vaihdellen vuodenaikojen mukaan välillä 0,7-3,5 %o /1/. Itämeren pintaveden saliniteetin vaihtelut on esitetty kuvassa 1 /3/.
north north
12* W 16* 16* 20* 22* 7£ 26 28* e*st
Kuva 1. Itämeren pintavesien saliniteettijakauma (%o) a) kesäkuussa b) joulu
kuussa /3/.
Meriveden sisältämät tärkeimmät suolat ja niiden prosentuaaliset osuudet ovat natriumkloridi NaCl (n. 2,5 %), magnesiumkloridi MgCl2 (n. 0,3 %), magnesiumsul
faatti MgS04 (n. 0,2 %), kalsiumsulfaatti CaS04 (n. 0,1 %) ja lisäksi pieniä määriä kalsiumbikarbonaattia Ca(HC03)2, mikä voi muodostaa saostumia. Nämä meriveteen liuenneet suolat antavat sille hyvän johtokyvyn, joka valtameressä on n.
50 mS/cm /1/.
1.2 pH
Merivesi on puskuroitu liuos eli se pystyy vastustamaan pH:n muutoksia. Tämä ai
heuttaa sen, ettei syöpyvien alueiden läheisyydessä pH pääse laskemaan paikallisesti kovinkaan helposti. Katodinen suojaus muuttaa suojattavan pinnan läheisyydessä liuosympäristöä emäksiseksi, jolloin meriveden pH nousee.
Valtameren pH on n. 7,7, mutta paikalliset vaihtelut voivat nostaa sen n. 8,8:aan.
Murtoveden pH on yleensä matalampi kuin valtameren ja se vaihtelee välillä 6,5-8,0.
Biologinen toiminta on suurin pH:n vaihteluun vaikuttava tekijä. Pintavesissä ta
pahtuva fotosynteesi kuluttaa hiilidioksidia ja tuottaa happea, jolloin pH voi paikal
lisesti nousta. Syvemmällä on pH-arvo alhaisempi, sillä siellä merieliöstö hajoaa hapettomissa olosuhteissa muodostaen rikkivetyä. Rikkivetypitoisuus on yleensä suurimmillaan satamissa tai jokien suistoissa /1,2/.
1.3 Liuenneet kaasut
Kloridi-ionien lisäksi meriveteen on aina liuenneena enemmän tai vähemmän hap
pea ja nämä kaksi asiaa tekevät merivedestä erään syövyttävimmistä luonnon kor
roosioympäristöistä /1/.
Meriveteen liuennut happi kiihdyttää katodireaktiota, jolloin useimpien tavallisten käyttömetallien syöpyminen nopeutuu. Metallit, joiden korroosiokestävyys perustuu hapen avulla muodostettavaan oksidikalvoon, tarvitsevat happea passiivifilminsä ylläpitämiseen ja uusimiseen eli ne kykenevät passivoitumaan. Tällaisia metalleja ovat mm. ruostumattomat teräkset ja alumiini.
Toisaalta ruostumattomat teräkset ovat erityisesti valtameren vedessä alttiita paikal
liselle korroosiolle (piste-ja rakokorroosio), sillä kloridit tuhoavat passiivikerroksia.
Merivedessä happipitoisuus on pienempi kuin ilmassa ja siksi korroosiotuotteet eivät hapetu niin pitkälle kuin ilmassa. Lisäksi metallin pinnalla olevat korroosiotuotteet ovat usein huokoisia, eivätkä ne muodosta pysyvää kalvoa metallin pinnalle.
Merivedessä olevat kloridi-ionit estävät suojakalvojen muodostumista ja siksi yleisen korroosion nopeus on merivedessä melko tasaista. Tavallisimpien käyt
tömetallien korroosionopeudet merivedessä ovat välillä 0,01-0,2 mm vuodessa /1/.
Meriveden happipitoisuus riippuu lämpötilasta, suolapitoisuudesta, biologisesta toiminnasta ja virtauksesta. Hapen liukoisuus meriveteen vähenee lämpötilan ja suolapitoisuuden noustessa, kuva 2, mutta kasvaa virtauksen voimistuessa. Kuva 2 on piirretty viitteessä/1/ esitettyjen arvojen perusteella.
io-c
15 *c 20-c 25 *C
Saliniteetti (%<j
Kuva 2. Hapen liukoisuuden (ml/l) riippuvuus suolapitoisuudesta (%o) ja läm
pötilasta (°C) /4/.
Fotosynteesi ja sekoitus saavat aikaan pintaveden suuren happipitoisuuden. Hap
pipitoisuus voi pienentyä bakteeritoiminnan, happea kuluttavien aineiden (kuten H2S) tai hiilidioksidin muodostumisen vuoksi /1/. Meriveden normaali happipi
toisuus on 6-7 ml/l. Itämerellä pintaveden happipitoisuus on noin 7 ml/l ja poh
javeden 3-5 ml/l /2/.
1.4 Lämpötila
Lämpötilan nousu kiihdyttää kemiallisia reaktioita, mutta myös biologinen toiminta ja kalkkipitoisten saostumien muodostuminen lisääntyy meriveden lämpötilan noustessa. Lämpötilan lasku taas hidastaa korroosioreaktioita ja laskee meriveden johtokykyä /2/.
Happea liukenee kuitenkin kuvan 2 mukaan kylmään meriveteen enemmän, joten syöpymisriski esim. hiiliteräksellä kasvaa. Murtovedessä teräksen korroosionopeus on noin kaksi kertaa suurempi kuin valtameressä hapen suuremman liukoisuuden vuoksi /1/. Itämeren pintaveden lämpötilan vaihtelut on esitetty kuvassa 3 /3/.
ir vr e- w *>• ?v ie1 m1 mk
Kuva 3. Itämeren pintavesien lämpötilajakauma (°C) c) kesäkuussa d) joulu
kuussa /3/.
1.5 Sähkönjohtokyky
Meriveden sähkönjohtokyky riippuu sen saliniteetista ja lämpötilasta. Saliniteetin ja lämpötilan kasvaessa myös meriveden johtokyky kasvaa, kuva 4. Kuvaajat on piir
retty viitteessä /1/ esitettyjen arvojen perusteella. Valtameren veden johtokyky vaihtelee välillä 33-50 mS/cm (ominaisvastus 20-30 O cm) ja murtoveden välillä 1- 30 mS/cm (ominaisvastus 30-1000 Í2 cm) /5/.
Kuva 4. Meriveden johtokyvyn (mS/cm) riippuvuus saliniteetista (%o) ja läm
pötilasta (°C) /51.
Katodisen suojauksen toteuttaminen on helpompaa hyvin sähköä johtavissa valtamerien vesissä kuin huonosti johtavassa Itämeren murtovedessä. Itämeren
murtoveden sähkönjohtokyky voi olla vain noin kymmenesosa verrattuna valtameren veteen /5/. Tämän vuoksi suojausta ei Itämeren vedessä saada ulottu
maan yhtä pitkälle kuin valtameren vedessä.
Potentiaali- ja virranjakauman hallinta on Itämeren olosuhteisiin tarkoitettujen laivojen katodisen suojauksen suunnittelun ja toiminnan perusta. Suojauksen seurannan on myös oltava säännöllistä, jotta mahdollisiin suojausjäijestelmän vikoi
hin pystyttäisiin reagoimaan nopeasti. Itämeren huonosti johtavassa vedessä anodin on syötettävä suurempia virtoja, jotta suojaus ulottuisi pidemmälle. Tällöin voi ano
dien ympärillä esiintyä helpommin ylisuojausta kuin valtameren vedessä.
1.6 Virtausnopeus
Tärkein katodinen reaktio happipitoisissa merivesissä on hapen pelkistyminen ja täten korroosioreaktion nopeus on riippuvainen hapen pääsystä metallin pinnalle.
Virtausnopeuden kasvu kiihdyttää useimpien tavallisten käyttömetallien korroo
sionopeutta. Tällöin metallin pinnalle tulee suuremmalla nopeudella meriveteen liuenneena olevaa happea. Parempi hapen saanti kiihdyttää esim. hiiliteräksen kato- direaktiota ja korroosionopeus kasvaa. Samalla suojavirran tarve katodisessa suo
jauksessa lisääntyy /6/.
Passivoituvat metallit, kuten ruostumaton teräs taas kestävät paremmin viilaavassa kuin seisovassa merivedessä. Viilaavassa vedessä passivoituvan metallin pinnalla oleva oksidikalvo pystyy paremmin korjaamaan itse itsensä paremman hapen saan
nin ansiosta. Seisovassa merivedessä taas voi metallin pinnalle muodostua helpom
min saostumakerroksia tai merikasvustoa. Tavallisilla käyttömetalleilla tämä voi suojata niitä korroosiolta, kun taas passivoituvilla metalleilla tämä saattaa aiheuttaa oksidikalvon paikallisen tuhoutumisen.
2 KATODISEN SUOJAUKSEN TEOREETTISET PERUSTEET
Korroosio on sähkökemiallinen tapahtuma, jossa ionit ja elektronit eli sähköiset varaukset ottavat osaa reaktioihin. Lisäksi on kemiallisia yhdisteitä, jotka myös vai
kuttavat korroosioreaktioon. Kaikkia vesiliuoksissa tapahtuvia korroosioreaktioita voidaan tarkastella korroosiokennon avulla. Täten korroosioreaktioiden ymmärtämi
nen ja korroosionesto edellyttävät korroosiokennossa tapahtuvien reaktioiden ym
märtämistä. Korroosiokenno ja sen komponentit on esitetty kuvassa 5 111.
Anodi - Kapetusreaktio - Hapettuneiden aineiden
siirtyminen liuokseen
Katodi
- Hapettimen siirtyminen liuoksesta elektrodin pinnalle
- Pelkistysreaktio
- Pelkistyneiden aineiden siirtyminen pinnalta liuokseen
Bulkkiliuos, jossa hapetin
(O , tf tms.) 2
Kuva 5. Korroosiokenno ja sen komponentit 111.
Metallin joutuessa kosketuksiin vesiliuoksen kanssa, se pyrkii liukenemaan posi
tiivisina ioneina eli kationeina ja tätä reaktiota kutsutaan liukenemis- eli hapettumis
reaktioksi. Tässä reaktiossa syntyneet elektronit kulutetaan pelkistysreaktiossa.
Hapettumisreaktio tapahtuu anodilla ja pelkistysreaktio katodilla.
Raudan ja meriveden muodostamassa korroosiokennossa mahdollinen hapettumis
reaktio on raudan hapettuminen, reaktio (2). Mahdollisia pelkistyreaktioita ovat hapen pelkistyminen, reaktio (3) ja vedynkehitys, reaktio (4) /8/.
Anodinen hapettumisreaktio : Fe —» Fe 2+ + 2 e ' (2) Katodiset pelkistysreaktiot: 02 + 2 H20 + 4 e ' 4 OH ' (3)
2H++2e*-»H2 (4)
Kuitenkin jotta itse korroosioreaktio voisi tapahtua tarvitaan elektrolyytti, joka kul
jettaa anodilla syntyneitä kationeja kohti katodia. Korroosiotapahtumat muodostavat siis suljetun virtapiirin, jossa ionit kuljettavat virtaa elektrolyytissä ja elektronit johtimissa. Jos tämä virtapiiri saadaan katkaistua jostain kohtaa, ei korroosiota esiinny. Voidaan siis estää anodi- tai katodireaktio, poistaa elektrolyytti tai säh
köinen johde anodin ja katodin väliltä. Nämä neljä keinoa virtapiirin katkaisemiseksi ovat koko korroosionestotekniikan perusidea.
Anodilla ja katodilla tapahtuvat reaktiot ovat sähkökemiallisia ja kummallakin elektrodilla on liuoksessa oma sähkökemiallinen potentiaali. Korroosiotilanteessa vähintään kaksi reaktiota asettuu keskenään tasapainoon. Anodilla tapahtuvan liu- kenemisreaktion ja katodilla tapahtuvan pelkistysreaktion aiheuttamat kokonaisvirrat ovat yhtä suuret.
Kuvassa 6 on esitetty lepopotentiaalin muodostuminen kahden reaktion sekapoten- tiaalina. Korroosioreaktion ajavana voimana toimii anodin ja katodin välinen poten
tiaaliero. Mitä suurempi elektrodien välinen potentiaaliero on sitä todennäköisem
mäksi ja voimakkaammaksi korroosio tulee. Korroosiovirran suuruus taas kuvaa korroosion etenemisnopeutta.
Korroosiotilanteessa anodin potentiaali on korkeampi kuin sen tasapainopotentiaali ja sen sanotaan polarisoituneen anodiseen eli positiiviseen suuntaan. Katodin poten
tiaali on korroosiotilanteessa taas matalampi kuin sen tasapainopotentiaali ja sen sa
notaan polarisoituneen katodiseen eli negatiiviseen suuntaan. Polarisoituneen elektrodin potentiaalin ja sen tasapainopotentiaalin välistä eroa kutsutaan ylipoten- tiaaliksi. Mitä suurempi ylipotentiaali on niin sitä nopeammin reaktio etenee, mutta yleensä aineensiirron rajallinen nopeus tai sähköinen vastus rajoittaa reaktionopeu
den johonkin maksimiarvoon. Polarisaatioilmiöt aiheutuvat jonkin reaktiovaiheen hitaudesta ja ne määräävät täten koko sähkökemiallisen reaktion nopeuden /7/.
Kuvan 6 korroosiotilanteessa anodisena reaktiona on metallin liukeneminen ja kato
disena reaktiona hapen pelkistyminen. Katodinen reaktio on aineensiirron kontrol
loima. Korroosiotilanteessa anodiset ja katodiset virrat ovat siis yhtä suuria ja sys
teemi asettuu tasapainotilaan, jossa sillä on tietty korroosiopotentiaali Ecorr ja korroo- siovirta Icorr- Kun katodisen reaktion virrantiheys pienenee, esim. liuenneen hapen pitoisuuden laskiessa, niin samalla hidastuu myös anodinen liukenemisreaktio. Täl
löin laskevat myös korroosiopotentiaali ja korroosiovirrantiheys /5/.
laskee
Kuva 6. Elektrodin potentiaalin muodostuminen kahden reaktion sekapoten- tiaalina. Katodisena reaktiona on aineensiirron rajoittama hapen pel
kistyminen /5/.
3 KATODISEN SUOJAUKSEN PERIAATE
Katodinen suojaus on sähköinen korroosionestomenetelmä, joka perustuu siihen, että korroosiokennon virta pakotetaan kulkemaan toisella tavalla kuin vapaasti tapahtu
vassa korroosiossa. Haitallisen korroosioreaktion sijasta systeemissä käynnistetään tarkoituksella joku toinen reaktio, joka voi olla uhrautuvan metallin liukenemisreak- tio tai jokin muu hapettumisreaktio. Katodinen suojaus toteutetaan joko uhrautuvilla anodeilla tai ulkoisen virtalähteen avulla.
Uhrautuvia anodeja käytettäessä muodostetaan uusi galvaaninen korroosiokenno, jossa vain uhrautuvat epäjalot anodit syöpyvät jalon suojattavan metallin sijasta.
Anodireaktiona on metallin liukeneminen ja katodireaktiona tavallisesti hapen pel
kistyminen. Uhrautuvat anodimateriaalit merivedessä ovat tyypillisesti magnesium-, sinkki- ja alumiiniseoksia 191.
ICCP eli Impressed Current Cathodic Protection tarkoittaa ulkoisella virtalähteellä toteutettua katodista suojausta. Siinä käytetään liukenemattomia anodeja, joihin ul
koisen tasavirtalähteen avulla syötetään virtaa ja pakotetaan virta kulkemaan päin
vastaiseen suuntaan kuin korroosiotilanteessa. Kuvassa 7 on esitettynä katodisen suojauksen periaate sekä uhrautuvien anodien sekä ulkoisen virtalähteen avulla to
teutettuna. Kumpikin menetelmä perustuu siihen, että suojattavan metallin (katodin) potentiaalia pyritään laskemaan niin paljon, että korroosio hidastuu siedettävälle ta
solle.
KORROOSIO
ANODI
í 1
KATODIKuva 7.
UHRAUTUVA ANOOI
KATODINEN SUOJAUS UHRAUTUVALLA
ANODILLA
LIUKENEMATON ANOOI
KATODINEN SUOJAUS ULKOISELLA VIRTA
LÄHTEELLÄ
Katodisen suojauksen periaate /7/.
Ulkoista virtalähdettä käytettäessä katodireaktion vaatima anodinen virta tuotetaan liukenemattomilla anodeilla tapahtuvilla reaktioilla, jotka ovat yleensä kaasunke- hitysreaktioita. Liukenemattomien anodien perusmateriaalina on tyypillisesti titaani tai niobi, jonka pinnalla on aktiivisena ainesosana ohut muutaman mikrometrin platina- tai metallioksidipinnoite /8/.
Liukenemattomilla anodeilla on merivedessä kaksi mahdollista anodireaktiota.
Nämä reaktiot ovat veden hajoaminen (hapenkehitysreaktio), reaktio (5) sekä kloorinkehitys, jos vedessä on klorideja, reaktio (6) /8/.
Veden hajoaminen: H20 —> l/z 02 + 2 H + + 2 e " (5)
Kloorinkehitys: 2 Cl " Cl2 + 2 e " (6)
ICCP-suojausjäijestelmä koostuu tasavirtalähteestä, liukenemattomista anodeista ja referenssielektrodeista. Lisäksi tarvitaan ohjausautomatiikka, kaapelointi ja muut liitännät. Järjestelmä toimii siten, että rungon potentiaalia referenssielektrodin suhteen seurataan jatkuvasti. Kuvassa 8 on esitettynä ulkoisella virtalähteellä toteu
tetun katodisen suojauksen periaatekaavio.
3r Maadoitus runkoon
Ref (_) Anodi Katodiliitäntä
runkoon
Kuva 8. Periaatekaavio ulkoisella virtalähteellä toteutetusta katodisesta suo
jauksesta.
Katodinen suojaus ulkoisella virtalähteellä on huomattavasti monimutkaisempi kuin suojaus uhrautuvilla anodeilla. Potentiostaattista ulkoisen virtalähteen avulla toteu
tettua suojausjärjestelmää käytetään paljon laivoissa, sillä se pystyy automaattisesti säätämään systeemissä tarvittavan virran määrää vaihtelevien olosuhteiden (meriveden koostumus) sekä laivan nopeuden mukaan /10/.
4 KATODISEN SUOJAUKSEN TOTEUTUS
Katodinen suojaus toteutetaan polarisoimalla suojattavan materiaalin potentiaalia negatiiviseen suuntaan ns. immuunialueelle, jossa korroosiota ei tapahdu. Poten- tiaalialuetta, jossa tietty materiaali on immuunialueella voidaan arvioida E-pH- diagrammien eli Pourbaix-diagrammien avulla. Nämä diagrammit ovat teoreettisesti laskettuja tasapainodiagrammeja, joissa on esitetty materiaalin korroosio-, passivoi- tumis-ja immuunialueet. Korroosioalueella materiaali syöpyy, passiivialueella mate
riaalin pinnalle on muodostunut reaktiotuotekerroksia ja syöpyminen hidastuu ja immuunialueella materiaali ei liukene.
Kuvassa 9 on esitettynä raudan Pourbaix-diagrammi puhtaassa vedessä, kun läm
pötila on 25°C ja liuenneiden rautaionien pitoisuus on 10"6 mol/l. Raudan stabiileiksi yhdisteiksi on valittu raudan oksidit РезО^а РегОз 111.
EH (Volti) 1.6 г~
Passiivi Korroosio
Katodinen suojaus Immuuni
o 2 4 6 8 10 12
Kuva 9. Raudan Pourbaix-diagrammi 111.
14
pH
Muuttamalla materiaalin potentiaalia negatiiviseen suuntaan saadaan aina hidastettua korroosiota. Tietyn materiaalista ja ympäristöstä riippuvan raja-arvon alapuolella korroosioreaktiot käytännössä pysähtyvät, kuva 10. Kokeellisesti on määritetty eri materiaaleille suojavirran suuruus. Tämä on se virrantiheys, joka polarisoi kohteen riittävästi katodiseen suuntaan. Kuvasta 10 nähdään, että mitä suurempi on hiili- teräksen korroosionopeus, sitä suurempi on katodisen suojauksen suojavirrantihey- den tarve. Edelleen kokeellisesti on havaittu, että jos metallin potentiaali on tietyn raja-arvon alapuolella eli suojapotentiaalissa, niin korroosionopeus on hidastunut riittävän pieneksi. Teoriassa teräkselle jokainen 60 mV:n potentiaalin muutos kato
diseen suuntaan pudottaa korroosionopeuden kymmenesosaan, mutta todellisuudessa potentiaalin muutoksen on yleensä oltava suurempi.
1.0 -
Ei suojausta
h- 0.4 Alisuojattu
Suoja- potentiaali
Riittävä suojaus
POTENTIAALI, mV
o
>
EE
cn ZD
ID
OCL
oИ
(Z)o ooz Oio y:
Kuva 10. Hiiliteräksen korroosionopeus murto vedessä ja potentiaalin vaikutus korroosionopeuteen.
Katodisen suojauksen toteutuksessa tärkeimmät tekijät ovat käyttökohteen tyyppi ja liuosympäristö. Anodien ja katodin on oltava samassa liuoksessa sekä niiden välillä on oltava sähköinen johde. Anodien ja katodin välinen vastus ei saa kuitenkaan olla liuoksessa liian suuri, jotta suojaus pystytään toteuttamaan.
Käyttökohteen tyyppi vaikuttaa lähinnä suojaukseen tarvittavien anodien lu
kumäärään ja sijoitteluun. Käyttökohteessa on virranjakauman oltava riittävän ta
sainen, jotta suojattaville pinnoille saataisiin haluttu suojapotentiaali. Virranjakau- maa hallitaan anodien lukumäärän, sijoittelun ja virrantiheyden avulla. Sitä virranti
heyttä, joka suojaukseen tarvitaan kutsutaan suojavirrantiheydeksi ja tällöin suojat
tava rakenne on polarisoitu suojapotentiaaliin. Virran sijasta käytetään katodisessa suojauksessa tavallisesti virrantiheyttä, joka on virran suuruus pinta-alayksikköä kohti. Katodisessa suojauksessa virrantiheydet ovat tavallisesti hyvin pieniä, jolloin mittayksikkönä on yleisesti mA/m2 /5/.
Liuosympäristö eli liuoksen koostumus ja johtokyky vaikuttavat virranjakaumaan ja myös systeemissä tapahtuviin reaktioihin. Murtoveden huono johtokyky eli suuri ominaisvastus aiheuttaa sen, että suojaukseen tarvitaan joko enemmän anodeja tai on käytettävä suurempia anodivirrantiheyksiä riittävän suuren katodisen virrantiheyden saamiseksi koko suojattavalle rakenteelle. Paras virranjakauma murtovesissä saadaan aikaan suurella määrällä anodeja, jotka toimivat pienellä virrantiheydellä.
5 KATODISEN SUOJAUKSEN MITOITUSPERUSTEET
5.1 Suunnittelu
Tavallisin korroosionestomenetelmä merivedessä on metallin pinnoittaminen maalaamalla. Vaativammissa kohteissa (laivat, offshore-rakenteet) käytetään usein pinnoittamisen ja katodisen suojauksen yhdistelmää, jolloin katodisella suojauksella suojataan niitä kohtia, joissa maalipinta on vaurioitunut tai joita ei ole voitu maalata.
Pinnoittamattoman teräksenkin suojaaminen on mahdollista, mutta tällöin laite- ja käyttökustannukset tulevat suuren pinta-alan vuoksi turhan suuriksi eikä katodinen suojaus ole tällöin taloudellisesti kannattavaa. Katodisen suojauksen toimintaedel
lytyksenä on riittävän suuren katodisen virrantiheyden aikaansaaminen kaikille suo
jattaville alueille, jotta haitalliset korroosioreaktiot pystyttäisiin kumoamaan.
Katodisen suojauksen suunnitelua varten tarvitaan lähtötietoina mm. suojattavan rakenteen pinta-ala, suojausjärjestelmän haluttu kestoikä, upotusrasituksen kes
toaika, suojavirrantiheys, pinnoitteen tyyppi sekä tietoja tulevasta korroosioym
päristöstä (ominaisvastus, saliniteetti, virtausnopeus). Suunnittelun tavoitteena on joko uhrautuvien tai liukenemattomien anodien muodostama verkko, jonka avulla koko suojattavan kohteen potentiaali saadaan pysymään tietyllä noin 100-200 mV alueella. Toteutusvaiheessa on selvitettävä mm. kuinka haluttu suojapotentiaali saa
vutetaan virranjakauman avulla /5/.
Anodiverkon suunnittelu perustuu pääasiassa suunnittelijan käyttökokemuksiin, mi
toitusohjelmiin sekä erilaisiin mallitusratkaisuihin, joista käyttökelpoisimpana pi
detään nykyään DACSrää. DACS (dimension and conductivity scaling) tarkoittaa suojattavaa rakennetta vastaavan pienoismallin mittakaavan muutosta todellista rakennetta vastaavaksi meriveden johtokykyä laskemalla. Jos esim. pienoismalli on tehty 1/60-mittakaavalla, on meriveden johtokykyä pudotettava laimentamalla 1/60-
osaan, jotta pienoismalli vastaisi todellista rakennetta merivedessä. DACS kehitettiin V.1984 ulkoisella virtalähteellä toteutetun katodisen suojauksen suunnittelua ja ar
viointia varten /11/. DACS on osoittautunut hyödylliseksi apuvälineeksi katodisen suojauksen suunnittelussa. Sillä saadaan mm. määritettyä anodien ja referenssien paikat tarvittavan suojaustason aikaansaamiseksi /12/.
Ulkoisella virtalähteellä toteutetussa suojauksessa virtalähteen ja sen säätöyksikön suunnittelu merkitsevät paljon. Virtalähteen on kyettävä syöttämään suunnitellut minimi- ja maksimivirrat hyvinkin laajalla potentiaalialueella riippuen suojattavan kohteen pinnoitteen kunnosta ja ympäristön ominaisvastuksesta. Virtalähde on suunniteltava riittävän suureksi, jotta sen teho riittäisi kaikissa käyttötilanteissa /5/.
Virtalähteen virransyöttökapasiteetti arvioidaan suojauksessa tarvittavan katodisen virrantiheyden ja suojattavan pinta-alan perusteella. Suurimman napajännitteen ar
vioiminen on vaikeampaa, sillä systeemin kokonaisvastus muuttuu esim. meriveden saliniteetin muuttuessa. Virtalähdettä on kyettävä säätämään riittävän tarkasti koko kapasiteettialueella, jotta pieniä virtoja tarvittaessa ei ylisuojaitaisi suojattavaa rakennetta ja täyttä tehoa vaadittaessa virtalähde ei ylikuormittuisi /5/. Tasavirran on oltava laadultaan tasaista eli ns. rippelin on oltava vähäistä /8/. Tämä ei ole enää nykyisissä tasavirtalähteissä ongelmana.
Jäänmurtajien suojauksessa käytettävän suojavirran suuruuteen vaikuttavat suojat
tava pinta-ala (maalivaurioaste), valittu suojavirrantiheys sekä Itämeren veden vaihtelevat ominaisuudet (saliniteetti, johtokyky ja lämpötila). Kun korroosioym
päristö ja suojauksessa tarvittavan virran suuruus on selvitetty valitaan sopiva ano- dimateriaali sekä anodien lukumäärä ja sijainti.
Suunniteltaessa suojausjärjestelmää Itämeren murtoveteen aliarvioidaan usein kus
tannussyistä tai tietämättömyydestä johtuen joko virtalähteen koko tai tarvittavien anodien lukumäärä tai molemmat. Tällöin ei luonnollisestikaan saada suojaustasoa
riittävän alhaiseksi koko suojattavalla pinnalla eri Itämeren osissa. Itämeren murto- vedessä virtalähteen kokoa ei välttämättä ole tarpeellista mitoittaa huonoimman mahdollisen tilanteen (suuri maalinpoistoaste) mukaan, sillä systeemin napajännite on murtovedessä usein maksimissaan. Täytyy kuitenkin huomioida se, että uusim
mat monitoimimurtajat työskentelevät kesäisin Pohjanmerellä, jossa meriveden omi
naisvastus on huomattavasti pienempi kuin Itämeren murtovedessä. Tällöin ei napa
jännite niiden suojausjäijestelmissä ole koko toimintakauden ajan virtalähteen vir- ransyöttökapasiteettia rajoittavana tekijänä.
Katodista suojausjärjestelmää suunniteltaessa olisi referenssielektrodien sijainti ja määrä harkittava erityisen tarkasti. Niitä on oltava riittävän tiheässä eikä yhtä referenssiä saisi käyttää ohjaamaan useampaa eri virtalähdettä, sillä tällöin on mahdollista, että toinen virtalähde syöttää maksimivirtaa samalla kun toinen ei syötä virtaa ollenkaan /13/. Tällöin maksimivirtaa syötettäessä ylisuojauksen riski anodien lähialueilla kasvaa.
Liuoksen johtokyky vaikuttaa siis siihen kuinka pitkälle suojaus saadaan ulottumaan.
Tämän arvioimiseen voidaan käyttää ns. Wagnerin lukua, yhtälö (7), joka kuvaa pinnan polarisaatiovastuksen (Rp) ja liuoksen johtokyvyn (8) välistä suhdetta /5/.
W = ^ (7)
5
Suuret Wagnerin luvut kuvaavat vähäistä potentiaalin muutosta etäisyyden kas
vaessa, kun taas pienet arvot kuvaavat pientä polarisaatiovastusta eli virta ulottuu tällöin vain anodin lähialueille. Täten katodinen suojaus toimii parhaiten (suojaus ulottuu pidemmälle) hyvin johtavissa liuoksissa hyvin eristäville (suuren ominais- vastuksen omaaville) pinnoitteille.
5.2 Suojapotentiaali
Katodisessa suojauksessa suojattavaa metallia polarisoidaan sille tyypilliseen suo- japotentiaaliin, joka merivesisovelluksissa on yleensä noin 100-200 mV:n suuruinen alue. Katodisen suojauksen toimivuutta tarkistetaan mittaamalla suojattavan kohteen potentiaali referenssielektrodin suhteen ja vertaamalla sitä tavoitteena olevaan suo- japotentiaaliin. Katodinen suojaus on riittävä suojapotentiaalin ja hieman sitä negatiivisempien potentiaalien välisessä alueessa aina vedynkehityksen alku
pisteeseen saakka. Suojapotentiaali on riippuvainen materiaalista ja ympäristöstä ja sen alapuolella korroosioreaktiot käytännössä pysähtyvät. Tavallisen laivateräksen voidaan sanoa olevan riittävässä suojauksessa happipitoisessa merivedessä, kun potentiaali on vähintään -800 mV vs. Ag/AgCl tai negatiivisempi /10/.
Taulukossa 1 on esitetty referenssielektrodien potentiaaleja verrattuna standardive- tyelektrodiin. Standardivetyelektrodin potentiaaliksi on sovittu 0 V ja kaikkia elek- trodipotentiaalej a verrataan siihen.
Taulukko 1. Referenssielektrodien ominaisuuksia/14/.
Elektrodi Lyhenne Täyttöliuos E (V vs. SHE) Käyttökohteet Sinkki Zn(99,999) merivesi tms. -0,77 merivesi
NaCl-liuokset Hopeaklo-
ridi
Ag/AgCl merivesi kylläinen KC1
+0,25 +0,22
merivesi, juomavesi
Kylläinen kuparisul- faatti
C11/CUSO4 CSE
kylläinen CuSC>4
+0,32 maaperä,
jätevesi
Taulukossa 2 on annettu laivateräksen suoj apotentiaaliarvoja eri referenssielektro- dien suhteen merivedessä. Kuten taulukosta 2 havaitaan poikkeavat eri referenssi- elektrodeilla mitatut suojapotentiaalit huomattavasti toisistaan. Tämän vuoksi suo- japotentiaaleja määritettäessä tai suojausta seurattaessa on aina ilmoitettava myös
käytetty referenssielektrodi, jotta saatu potentiaaliarvo osattaisiin tulkita oikein.
Taulukko 2. Laivateräksen suoj apotentiaaliarvoj a eri referenssielektrodien suhteen happipitoisessa merivedessä /15/.
Referenssielektrodi Suojapotentiaali (mV)
Zn merivesi +250
Ag/AgCl merivesi -800
C11/CUSO4 -850
Jäänmurtajan runkoon upotetut sinkkielektrodit ohjaavat sen katodista suojausjär
jestelmää. Laivateräksen suojapotentiaali sinkin suhteen on siis 250 mV, kun se hopea/hopeakloridin suhteen on -800 mV. Tämä suojapotentiaalin muunnos on suo
jauksen seurannassa tärkeä, jotta sekä laivan tietokoneen näyttämä arvo sinkin suhteen että ns. pilkkimällä saadun arvo hopeakloridin suhteen osattaisiin tulkita oikein. Pilkkimisellä tarkoitetaan tässä jäänmurtajan rungon potentiaalin mittausta upottamalla erillinen referenssielektrodi jäänmurtajan kannelta mereen.
5.3 Suojavirrantiheys
Katodisessa suojauksessa tarvittava suojavirrantiheys riippuu suojattavasta mate
riaalista, korroosioympäristöstä ja mahdollisen pinnoitteen laadusta ja kunnosta.
Teoriassa suojavirrantiheydeksi riittää se virrantiheys, joka vastaa katodisen reaktion nopeutta. Esim. teräkselle merivedessä suojavirrantiheys vaihtelee välillä 0,9-1,2
kertaa korroosiovirrantiheys /1/. Pinnoitetulle rakenteelle suojavirrantiheys on pienempi kuin pinnoittamattomalle rakenteelle, sillä todellinen suojattava pinta-ala on pienempi. Pinnoitteen vaurioituessa käytön aikana suojavirran tarve kasvaa suuremman suojattavan pinta-alan vuoksi. Laivan pinnoittamattomalle teräsrungolle suojavirrantiheys on 100-150 mA/m2 ja pinnoitetulle (maalatulle) teräsrungolle 1-30 mA/m2 /8/.
Suojavirrantiheys on suojauksen alkuvaiheessa huomattavasti suurempi kuin suo- jaavien kalkkikerrosten muodostumisen jälkeen. Kalkkikerrosten suojaava vaikutus toimii sekä pinnoittamattomalle että pinnoitetulle metallille. Pinnoittamattomalle metallille kalkkikerrokset pienentävät suojattavaa pinta-alaa ja pinnoitetulle metal
lille kalkkikerrokset tukkivat pinnoitteen huokosia ja vähentävät näin suojavirran tarvetta. Esim. Det Norske Veritaksen ja NACE:n suojavirrantiheyden arvo paljaalle teräkselle suojauksen alkuvaiheessa on 180 mA/m2 /10/. Suojauksen ylläpitämiseen tarvittava virrantiheys kalkkikerroksen muodostumisen jälkeen on kuitenkin vain 55- 60 mA/m2 eli noin kolmasosa alkuperäisestä /10/.
Seisovassa merivedessä kalkkikerrosten suojavirran tarvetta vähentävä vaikutus on vähäisempi kuin viilaavassa vedessä. Kuvassa 11 on esitetty suojavirran tarve paljaalle ja pinnoitetulle teräkselle seisovassa merivedessä.
Petted Stee( ImIhak
•««Steel
^ 500
£ 300 200 ‘ 100
Time (min)
Kuva 11. Suojavirran tarve seisovassa merivedessä /10/.
Virtausnopeuden kasvaessa kalkkikerros pitää virrantarpeen melko vakiona verrattuna paljaaseen teräkseen, kuva 12. Virtausnopeuden kasvaessa suojavirrantarpeen lisääntyminen on paljaalle teräkselle voimakkainta 2,5 m/s (noin 5 solmuun) asti. Myös potkurien aiheuttama turbulenttinen virtaus kasvattaa huomattavasti suojavirran tarvetta /10/.
Kuva 12. Kalkkikerrosten vaikutus suojavirran tarpeeseen viilaavassa vedessä
/10/.
Liuoksen ominaisvastus vaikuttaa myös suojavirrantiheyteen. Hyvin johtavissa liuoksissa suojavirran tarve korroosioreaktion suuremmasta nopeudesta johtuen on suurempi kuin huonosti johtavissa liuoksissa. Huonosti johtavissa liuoksissa tarvi
taan kuitenkin suurempia virtoja, jotta suojaus saataisiin ulottumaan pidemmälle.
Ohmin lain mukaan elektrolyytin ominaisvastusvastus (Oem) aiheuttaa sen, että kaikkiin suojattavan rakenteen osiin ei saada samaa suojavirrantiheyttä. Virranti
heyttä ei myöskään voi nostaa kuinka suureksi tahansa, sillä tällöin ylisuojauksen vaara kasvaa, anodimateriaalit eivät kestä ja katodisesta suojauksesta tulee epäta
loudellinen.
5.4 Pinnoitteet
Pinnoitteen tärkein ominaisuus on sen ominaisvastus Ru (Qcm2), joka riippuu pin
noitteen läpilyöntivastuksesta, paksuudesta ja pinnoitteen virheiden lukumäärästä ja koosta /5/. Pinnoitteen ominaisvastuksen muutos vaikuttaa suojavirran tarpeeseen siten, että mitä suurempi ominaisvastus pinnoitteella on, sitä pienempi on suojavir
ran tarve.
Det Norske Veritaksen suositus DNV RP B401-Cathodic Protection Design antaa pinnoitteen arvioimiseksi kaavan (8), jonka avulla voidaan jo suunnitteluvaiheessa arvioida pinnoitteen sähköisen eristyskyvyn huononeminen /16/. Tässä suosituksessa pinnoitteen eristyskyvyn heikentyminen riippuu sen laadusta, maalikerrosten lu
kumäärästä sekä kuivakalvon paksuudesta.
fc = k] + k2 • t (8)
missä, fc = "coating breakdown factor"
ki, кг = vakioita t = aika (vuosia)
Arvo fc = 0 vastaa täysin eristävää pinnoitetta ja fc = 1 täysin pinnoittamatonta metallia. Vakiot ki ja кг saadaan suosituksessa olevasta taulukosta, jossa vakiot on jaettu pinnoitteiden paksuuksien mukaan neljään eri ryhmään. Lisäksi vakiot ki ja кг
riippuvat upotussyvyydestä.
Yhtälön (8) mukaan pinnoitteen sähköinen eristyskyky huononee lineaarisesti ajan kuluessa. Pääasiassa pinnoitteen kulumista aiheuttavat mekaaninen kulutus sekä kasvusto, jotka riippuvat syvyydestä. Tätä " Coating breakdown factor" -arvoa käytetään arvioitaessa suunnitteluvaiheessa katodisen suojauksen suojavirran tar
vetta. Tällöin suojavirrantiheydestä ja suojattavasta pinta-alasta laskettu suojattavan
kappaleen tarvitsema suojavirta kerrotaan tekijällä fc. Pinnoitteen ollessa erittäin hyvässä kunnossa eli täysin eristävänä on fc:n arvo 0 ja tällöin siis suojattavan rakenteen tarvitsema suojavirtakin on 0. Kun pinnoitteella ei ole enää eristävää vai
kutusta, niin tilanne vastaa pinnoittamatonta metallipintaa. Tällöin fc:n arvo on 1 ja suojavirran tarve on suuri.
5.5 Saostumien muodostuminen
Eräs katodisen suojauksen edullisista sivuvaikutuksista on suojaavan kalkkikerrok- sen saostuminen suojattaville pinnoille. Katodinen suojaus muuttaa suojattavan pin
nan läheisyydessä liuosympäristöä emäksiseksi, jolloin liuoksen pH kasvaa. Tällöin on mahdollista saostua merivedestä suojattavalle pinnalle kerros, joka koostuu lähinnä kalsiumkarbonaatista (СаСОз) ja magnesiumhydroksidista (Mg(OH)2).
Tämän kerroksen edullinen vaikutus on siinä, että se pienentää suojattavaa pinta- alaa, jolloin tarvittavan suojavirran määrä pienenee. Seisovassa merivedessä suo
javirran tarve voi pudota noin kymmenesosaan verrattuna suojausta aloitettaessa tar
vittuun virtaan. Kalkkikerros estää myös hapen pääsyn suojattavan metallin pinnalle hidastaen siten katodista reaktiota /17/.
Kalkkikerros saostuu suojattavalle pinnalle helpoimmin lämpimissä vesissä ja käytettäessä suurta virrantiheyttä. Vähäinen suojaukseen tarvittava virta lämpimissä vesissä johtuu suuremmaksi osaksi kalkkikerroksesta eikä niinkään lämpötilasta tai saliniteetista. Lämpimissä vesissä kalkkikerros muodostuu nopeammin ja pienem
millä virrantiheyksillä kuin kylmemmissä vesissä, sillä lämpimissä vesissä on run
saasti kalsiumkarbonaattia (СаСОз) /17/.
6 KATODISEN SUOJAUKSEN SEURANTA
Katodisen suojauksen säädössä tarvittavat potentiaalit mitataan aina jonkun referens- sielektrodin suhteen. Samoin katodisen suojauksen toimivuus voidaan tarkistaa mit
taamalla suojattavan kohteen potentiaali jonkun referenssielektrodin avulla, jotka ovat merivedessä tavallisesti Ag/AgCl- tai sinkkireferenssielektrodi.
Kuitenkin referenssielektrodienkin potentiaalit vaihtelevat, vaikka suojattavan rakenteen potentiaali pysyisikin vakiona. Referenssielektrodien potentiaalimuutok- siin vaikuttavat tekijät ovat lämpötila ja liuoksen konsentraatio. Näistä edellisen vaikutus potentiaaliin on lineaarinen ja jälkimmäisen logaritminen. Liuoksen suo
lapitoisuuden muutoksen vaikutus Ag/AgCl- ja Cu/CuSC>4-elektrodeihin on esitetty kuvassa 13. Esim. Ag/AgCl-referenssielektrodille jokainen kertaluokan lasku suo
lapitoisuudessa vastaa 43 mV:n muutosta referenssin omassa potentiaalissa positiivi
seen suuntaan /18/.
Potential Shift. mV
Salt Concentration, p/l
Kuva 13. Liuoksen suolapitoisuuden vaikutus Ag/AgCl-ja Cu/CuSCL- elektrodien potentiaaleihin /18/.
Kuvan 13 mukaan Itämeren eri osien suolapitoisuudet (Suomenlahti noin 6 %o ja Perämeri noin 2,5 %o) aiheuttavat vain hyvin pienen eron Ag/AgCl- referenssielektrodin potentiaalissa, joten käytännössä tämän potentiaalimuutoksen voi jättää suojauksen seurannassa huomioimatta.
Sinkkireferenssielektrodeja käytetään ohjaamaan jäänmurtajien katodisia suojaus- järjestelmiä, sillä sinkkielektrodit kestävät paremmin jään aiheuttamaa mekaanista rasitusta kuin Ag/AgCl-elektrodit. Sinkin oma potentiaali kuitenkin nousee salini- teetin laskiessa sekä ilman suojausta että suojauksen ollessa päällä, taulukko 3 /19/.
Nämä potentiaaliarvot on mitattu puhtaalle metalliselle sinkille.
Taulukko 3. Sinkin potentiaalin muutos saliniteetin funktiona /19/.
Suojaustilanne Saliniteetti (%o) Potentiaali (mV vs. SCE)
Ilman suojausta 1,3 -970
7 -994
35 -1013
Suojaus päällä, suoj avirrantiheys
10mA/m2
1,3 -965
7 -990
35 -1008
Taulukosta 3 nähdään, että sinkin oma potentiaali muuttuu hieman yli 40 mV posi
tiiviseen suuntaan siirryttäessä valtameren vedestä (saliniteeti 35%o) Perämeren vettä (saliniteetti l,3%o) vastaaviin olosuhteisiin. Tämä merkitsee sitä, että suojausjär
jestelmään asetettu suoj apotentiaaliarvo myös muuttuu noin 40 mV positiiviseen suuntaan ja sen saavuttamiseksi on syötettävä enemmän virtaa. Tällöin ylisuojauksen riski anodien lähialueilla huonosti johtavassa murtovedessä kasvaa entisestään.
IR-pudotuksen merkitys katodisessa suojauksessa huonosti johtavissa vesissä voi olla merkittävä. IR-pudotuksen aiheuttavat anodin ja katodin välillä oleva meriveden ominaisvastus, sekä kaapeleista ja liitännöistä aiheutuva vastus. Mitä kauempana referenssielektrodi on suojattavasta rakenteesta, sitä suurempi on IR-pudotuksen osuus mitatussa potentiaalilukemassa. Todellinen katodipotentiaali on tämän vuoksi aina positiivisempi kuin mitattu potentiaali /5/.
IR-pudotuksesta johtuen laivojen katodisen suojauksen seurannassa käytettävä pilk
kiminen antaa liian negatiivisia potentiaaliarvoja varsinkin perässä ja keulassa, sillä tällöin mittaava referenssielektrodi on kaukana suojattavasta rakenteesta eli laivan rungosta.
7 KATODISEN SUOJAUKSEN POTENTIAALI- JA VIRRANJAKAUMAT
Katodisen suojauksen toimivuutta tarkistetaan mittaamalla suojattavan kohteen po
tentiaali referenssielektrodin suhteen ja vertaamalla sitä tavoitteena olevaan suo- japotentiaaliin. Katodinen suojaus on riittävä suojapotentiaalin ja hieman sitä negatiivisempien potentiaalien välisessä alueessa aina vedynkehityksen alku
pisteeseen saakka.
Potentiaalijakauma on harvoin tasainen koko suojattavassa kohteessa esim. laivan rungolla. Tähän vaikuttavat erilaiset suojavirran tarpeet laivan rungon eri osissa.
Keulassa voi olla suuri suojavirran tarve maalivaurioiden vuoksi ja perään kohdistuu potkineiden aiheuttamia voimakkaita turbulenttisia virtauksia, jotka nostavat suojavirran tarpeen suureksi. Myös erilaiset materiaalit aiheuttavat erilaiset suojavirran tarpeet. Esim. Otso-luokan jäänmurtajissa suojavirran tarvetta lisäävät ruostumattomasta teräksestä valmistetut potkurit sekä vesilinjassa oleva ruostumaton compound-vyöhyke. Tärkeintä on, että potentiaali on joka kohdassa suojapoten- tiaalissa tai sen alapuolella, jolloin suojattavan kohteen voidaan sanoa olevan riit
tävästi suojattu.
7.1 DACS
DACS (dimension and conductivity scaling) tarkoittaa siis suojattavaa rakennetta vastaavan pienoismallin mittakaavan muutosta todellista rakennetta vastaavaksi meriveden johtokykyä laskemalla. DACS-mallintamisella on havaittu, että laivan rungon potentiaalijakaumaan vaikuttaa huomattavasti anodien, referenssielektrodien ja pinnoittamattomien teräsalueiden lukumäärä ja sijainti. Näistä potentiaalijakau
maan vaikuttavat voimakkaimmin ns. kriittiset suojauskohteet eli pinnoittamattomat teräsalueet.
Potentiaalijakauman muoto määräytyy anodien sijoittelun mukaan, kun taas yleinen suojaustaso riippuu referenssielektrodien sijoittelusta. DACSdlä pystytään parhaiten tutkimaan anodien ja referenssien sijoittelun merkitystä suojauksen toimivuuteen laivan rungon eri osissa /12/. DACS-mallinnuksella on havaittu, että parhaan poten
tiaalijakauman saavuttamiseksi referenssielektrodit on sijoitettava lähelle kriittisiä suojauskohteita (potkurit, peräsimet) /20/.
DACS taijoaa monia huomattavia etuja verrattuna muihin potentiaalijakauman mal
lintamiseen käytettäviin keinoihin nähden. DACS on kokeellista mallinnusta ja siinä voidaan käyttää samoja materiaaleja kuin todellisessa rakenteessa. Lisäksi laimen
netussa merivedessä mitatut potentiaalit pienoismallin pinnalla vastaavat mitattuja potentiaaleja todellisessa rakenteessa /11/.
Tulokset laboratoriossa suoritetuista mittauksista vastaavat kenttäkokeiden eli laivan koeajon yhteydessä suoritettuja mittauksia eli DACS on tarpeellinen apuväline jo laivan katodista suojausta suunniteltaessa, sillä sen avulla saadaan tuloksia mahdol
lista matemaattista analyysiä varten /20/. Lisäksi sillä voidaan helposti tutkia mm.
erilaisten toimintaympäristöjen vaikutusta suojaukseen toimivuuteen /12/.
DACS:n avulla on tutkittu myös maalivaurioiden ja virtausnopeuden vaikutusta suojavirran tarpeeseen ja potentiaalijakaumiin. Tutkimuksessa selvisi, että suojavir- ran tarve lisääntyi maalivaurioiden ja virtausnopeuden kasvaessa ja oli selvästi riip
puvainen ulkoisella virtalähteellä toteutetun suojauksen konfiguraatiosta. Virtausno
peuden kasvu lisäsi suojavirran tarvetta huomattavasti enemmän, kun maalivaurioita oli syntynyt /21/.
Ainoita DACS:n rajoituksia on sen sopivuus vain geometrialtaan yksinkertaisiin rakenteisiin /22/. Tällä hetkellä sitä kuitenkin pidetään käyttökelpoisimpana laivojen ulkoisella virtalähteellä toteutetun katodisen suojauksen suunnittelun ja potentiaali- jakaumien selvittämisen apuvälineenä /11/. Tässä työssä on käytetty yksinker-
laistettua DACS-mallinnusta selvitettäessä potentiaalijakaumia ja suojavirran tar
vetta eri merivesissä.
7.2 Tietokonemallinnus
DACS:n lisäksi eräs mahdollisuus potentiaalijakauman ennustamiseen on tieto
konemallinnus, mutta sillä on monia huomattavia puutteita verrattuna DACS:ään.
Eräs tietokonemallinnuksen suurimmista puutteista on tarvittavan kokeellisen tiedon suuri määrä ja usein tätä tietoa on mahdotonta riittävästi saada. Tietokonemallin
nuksessa tarvitaan mm. katodisessa suoj aussysteemissä olevien materiaalien polari- saatiokäyttäytymiset kaikissa käyttöolosuhteissa /23/.
BEM (Boundary Element Method) on eräs parhaimmista tietokonemallinnuksessa käytettävistä numeerisista menetelmistä. Sillä pystytään mm. arvioimaan suojavirran tarvetta paljaalle teräkselle sekä myös anodien sijoittelun ja lukumäärän merkitystä ulkoisella virtalähteellä toteutetussa katodisessa suojauksessa. BEM:lla saadaan nu
meerisena menetelmänä hyvin samanlaisia tuloksia kuin kokeellisesti. BEM on erit
täin käyttökelpoinen menetelmä geometrisesti monimutkaisille rakenteille, kuten offshore-rakenteille. Sitä käytetään nykyään myös jonkin verran laivojen katodista suojausta suunniteltaessa /24/.
Tietokoneohjelma COMCAPS (Computer Modelling of Cathodic Protection Sys
tems) perustuu BEM-menetelmään ja sitä käytetään simuloimaan kalkkikerrosten muodostumisen aikana vallitsevia polarisointiolosuhteita. COMCAPS soveltuu mm.
anodien sijoittelun suunnitteluun tai anodin vastusta käsitteleviin tutkimuksiin, kuten myös pinnoitteiden käytön ja kalkkikerroksen muodostumisen vaikutuksiin suojatta
valle pinnalle /25/.
Tietokoneohjelma nimeltä PROCAT pohjautuu myös BEM-menetelmään ja sitä on käytetty katodisen suojauksen mallinnukseen eri johtokyvyn omaavissa vesissä eri
laisille geometrioille /26/. Laivan rungon potentiaalij akauman ennustamiseksi on kehitteillä myös oma tietokoneohjelma. Sen uskotaan säästävän tulevaisuudessa huomattavasti rahaa ja aikaa erilaisten laivojen katodisen suojauksen suunnittelussa /23/.
7.3 Virranjakaumat
Suunnittelun tavoitteena on uhrautuvien tai liukenemattomien anodien muodostama verkko, jonka avulla koko suojattavan kohteen potentiaali saadaan pysymään tietyllä noin 100-200 mV alueella. Toteutusvaiheessa on selvitettävä mm. kuinka haluttu suojapotentiaali saavutetaan virranj akauman avulla. Tehokkaat virtalähteet sekä anodien ja referenssielektrodien riittävä lukumäärä ja oikea sijoittelu ovat tasaisen virranj akauman perusedellytyksiä, varsinkin Itämeren huonosti johtavassa murto- vedessä.
Korroosiokenno noudattaa yksinkertaistettuna Ohmin lakia. Kennon läpi kulkeva virta saadaan laskettua yhtälöstä (9) /5/.
, Uu + ÍEa - Ek)
= Ra + R* + R* <9>
missä, I = virta (A)
Uu = mahdollinen ulkoinen jännite (V) Ea = anodireaktion tasapainopotentiaali (V) Ek = katodireaktion tasapainopotentiaali (V) Ra = anodireaktion polarisaatiovastus (Q)
Rk = katodireaktion polarisaatiovastus (Q) Re = elektrolyytin vastus (Q)
Virranjakauman selvittäminen on yksinkertaisimmillaan yhtälön (9) nimittäjän rat
kaiseminen suojattavan rakenteen geometrian funktiona. Virta pyrkii yleensä kulkemaan helpointa tietä eli sieltä missä vastus on pienin. Tämä tarkoittaa usein lyhintä reittiä anodilta katodille. Liuosvastus vaikuttaa myös suojattavan metallin (katodin) polarisoitumiseen. Murtoveden suuri liuosvastus aiheuttaa sen, että suo
jattava metalli polarisoituu vähemmän IR-pudotuksen kuluttaessa osan polarisoin- titehosta hukkaan /5/.
Yhtälöstä (9) huomataan myös, että elektrolyytin vastuksen suurentuessa, kasvaa myös systeemin napajännite suureksi. Tämä tarkoittaa sitä, että systeemiin pystytään tällöin syöttämään vain melko vähäistä virtamäärää, koska virtalähteiden maksimi- jännite on tavallisesti 50 V. Tällainen tilanne on esim. Perämeren vedessä, jossa meriveden suuri ominaisvastus nostaa suojaussysteemin napajännitteen suureksi ja syötettävä suojavirta pysyy yhtälön (9) mukaan alhaisena. Tällöin pinnoitteen omi
naisuudet ratkaisee suojauksen ulottuvuuden. Suuren ominaisvastuksen omaava ja ennenkaikkea ehjä pinnoite tarvitsee vähemmän suojavirtaa ja suojaus leviää pi
demmälle pienilläkin virroilla. Pienen ominaisvastuksen omaava pinnoite suurilla maalivaurioilla taas imee vähäisen suojavirran anodin lähialueille. Tällöin ei suojaus ulotu pitkälle.
7.3.1 Anodikilpi
Anodien ympäristö on eräs tärkeimmistä alueista suojavirran leviämisen kannalta varsinkin huonosti johtavissa vesissä (Perämeri) ja siksi tähän ns. anodikilpeen on kiinnitettävä erityistä huomiota. Jäänmurtajien anodikilveksi kutsutaan anodin ym
pärillä olevaa aluetta, jossa on paksumpi kerros liuotinvapaata epoksimaalia (Inerta
160). Anodikilven tarkoitus on sekä saada suojaus leviämään kauemmaksi anodista että suojavirta jakaantumaan tasaisemmin koko suojattavalle pinnalle. Anodikilpi suojaa myös anodin lähialuetta mahdollisissa ylisuojaustilanteissa. Anodikilven kokoja muoto määräytyvät anodin muodon ja sen syöttämän maksimi virran mukaan /27/.
Jäänmurtajissa käytetään suorakaiteen muotoisia nurkistaan pyöristettyjä anodeja, joille voidaan laskea yhtälöstä (10) tarvittavan anodikilven koko. Kaavasta lasket
tava anodikilven koko d perustuu siihen, että potentiaaliarvo E anodikilven ulkoreunalla ei saa olla negatiivisempi kuin mitä laivan rungon varsinainen pinnoite kestää /8,27/.
E = Eo-—fin—-1
TtLx d (10)
missä E = potentiaali anodikilven ulkoreunalla (V)
Eo = suojapotentiaali (teräkselle merivedessä -0.8 V vs.
Ag/AgCl)
p = meriveden ominaisvastus (Qm) I = anodin syöttämä virta (A) L = anodin pituus (m)
d = anodikilven koko (m)
Anodikilven alueella esiintyvät maalivauriot ovat erittäin haitallisia suojauksen leviämisen kannalta, sillä paljas teräsalue anodikilvessä imee käytännössä kaiken suojavirran eikä suojaus ulotu pitkälle. Erityisesti suuren ominaisvastuksen omaavissa vesissä (Perämeri) anodikilven maalivaurio saattaa imeä kaiken suojavir
ran sekä johtaa pinnoitteen irtoamiseen paljaan teräsalueen ympäriltä voimakkaan katodisen vedynkehityksen vuoksi. Pahimmassa tapauksessa voi seurauksena olla lujan laivateräksen vetyhaurastuminen.
8 KATODISEN SUOJAUKSEN TOTEUTUS JÄÄNMURTAJISSA
Tavallisin korroosionestomenetelmä merivedessä on metallin pinnoittaminen maalaamalla. Vaativammissa kohteissa (laivat, offshore-rakenteet) käytetään usein pinnoittamisen ja katodisen suojauksen yhdistelmää, jolloin katodisella suojauksella suojataan niitä kohtia, joissa maalipinta on vaurioitunut tai joita ei ole voitu maalata.
Jäänmurtajien katodisella suojauksella estetään myös eri jalousasteen omaavien metallien (hiiliteräs ja ruostumaton compound-vyöhyke) galvaanista korroosiota.
Lisäksi katodinen suojaus estää ruostumattoman teräksen rakokorroosiota. Koska katodinen suojaus estää korroosiota, se täten myös vähentää rungon pinnan kar
heutta. Hyvä maalipinta vähentää kitkaa laivan rungolla pienentäen laivan polt
toainekustannuksia /28/.
Perinteisen jäänmurtajan runko koostuu katodisen suojauksen kannalta kolmesta erilaisesta komponentista. Pääasiallisesti liuotinvapaalla epoksimaalilla (Inerta 160) maalatusta teräksestä, mutta myös jäiden aiheuttamista maalivaurioista eli paljaasta teräspinnasta sekä potkureista, joiden aiheuttama turbulenttinen virtaus kuluttaa paljon virtaa. Lisäksi uusimmissa jäänmurtajissa sekä monitoimimurtajissa ruostumattomasta teräksestä valmistetut potkurit sekä compound-vyöhyke vesilinjassa imevät paljaana teräksenä paljon suojavirtaa.
8.1 Suojausjärjestelmä
Jäänmurtajien liikennöintialueella meriveden ominaisuudet vaihtelevat huomatta
vasti ja maalivaurioita syntyy aina jäissä ajettaessa. Jäänmurtajien suojausjärjestel
missä käytetäänkin siksi potentiostaattista kytkentää, mikä on ainoa mielekäs kyt
kentä jäissä kulkevien alusten katodisessa suojauksessa. Potentiostaattinen suojaus
järjestelmä kykenee automaattisesti seuraamaan suojavirran tarpeessa tapahtuvia muutoksia ja säätämään sitten suojausta tarpeen mukaan. Suojavirran tarvetta jään
murtajissa lisäävät jään aiheuttamat maalivauriot sekä laivan nopeudessa ja meriveden koostumuksessa tapahtuvat muutokset.
Potentiostaattisesti toteutettu suojausjärjestelmä koostuu virtalähteistä, virran syöt
tämiseen tarvittavista inerteistä anodeista, jäijestelmän ohjaamiseen tarvittavista referenssielektrodeista sekä tarvittavista liitännöistä. Suojausjäijestelmään on kyt
kettyinä hiilihaijojen avulla myös potkurit ja peräsin. Suojausjäijestelmää ohjataan uusimmissa jäänmurtajissa sekä monitoimimurtajissa tietokoneen avulla ja sitä voi
daan seurata ja säätää myös modeemin välityksellä. Myös referenssielektrodien potentiaaliarvot sekä virtalähteiden syöttämät virrat ja jännitteet näkyvät tietokoneelta. Tietokoneen avulla pystytään uusimmissa monitoimimurtajissa seuraamaan myös kullekin anodille syötettävän virran määrää sekä jännitettä.
Suojausjäijestelmässä rungon vedenalaisen osan potentiaalia verrataan koko ajan referenssielektrodiin. Jos rungon vedenalaisen osan ja referenssielektrodin välinen potentiaaliero poikkeaa asetusarvostaan, niin säätöyksikkö muuttaa systeemiin syötettävän virran määrää. Jos rungon potentiaali on liian matala (ylisuojattu), niin virtaa syötetään vähemmän. Rungon potentiaalin ollessa liian korkea (alisuojattu) syötetään enemmän virtaa, jotta potentiaali saataisiin laskettua optimialueelle eli vähintään suojapotentiaaliin.
8.1.1 Virtalähteet
Katodisen suojauksen tarvitsema tasavirta tuotetaan jäänmurtajissa erillisillä hit- sausmuuntajista muunnelluilla tasavirtalähteillä, joita ohjausyksikkö ohjaa tarpeen mukaan. Tasavirtalähteen virransyöttökapasiteetti arvioidaan suojauksessa tarvitta
van virrantiheyden ja suojattavan pinta-alan perusteella. Virtalähteen teho on suun
niteltava riittävän suureksi, jotta sen teho riittäisi kaikissa jäänmurtajan liikennöin
tiolosuhteissa. Virtalähteen on myös kyettävä syöttämään suojaukseen tarvittava virta riittävän laajalla potentiaalialueella. Virtalähteet ovat jäänmurtajissa tieto
koneohjattuja, mutta niitä pystytään tarvittaessa säätämään manuaalisestikin.
Mitoitettaessa virtalähteen kokoa Itämeren jäänmurtajiin on huomioitava suurimman sallitun maalinpoistoasteen sekä pääliikennöintialueen (Perämeri) olosuhteiden vaatimukset. Murtovedessä virtalähteiden kokoa rajoittavana tekijänä on systeemin napajännite, sillä se on usein suuren ominaisvastuksen omaavassa merivedessä mak
simissaan. Tällöin ei välttämättä ole tarpeellista mitoittaa virtalähdettä huonoimman mahdollisen tilanteen (suuri maalinpoistoaste) mukaan.
8.1.2 Anodit
Jäänmurtajien liukenemattomat anodit ovat joko keraamisia (metallioksidilla pin
noitettuja) tai platinoituja titaanianodeja. Anodin virransyöttökyky riippuu sen pinta- alasta. Mitä suurempi on anodin pinta-ala sitä suurempi virta voidaan ajaa sen läpi ilman että anodi alkaa tuhoutua. Suuremmilla anodeilla on pienempi vastus, mikä parantaa suojauksen leviämistä ympäristöön, mutta toisaalta niitä tarvitaan vähem
män, mikä taas huonontaa virranjakaumaa kokonaisuudessaan. Anodit ovat referens- sielektrodien tavoin upotettu runkoon, jotta ne kestäisivät paremmin jäiden aiheut
tamaa mekaanista rasitusta.
Anodikilpi on suojauksen leviämisen kannalta erittäin tärkeä alue ja siksi sen huolelliseen valmistamiseen olisi kiinnitettävä erityistä huomiota jäänmurtajan ol
lessa telakalla. Anodikilpenä on yleensä paksumpi kerros liuotinvapaata epoksi- maalia (Inerta 160) tietyllä määrätyllä säteellä anodin ympärillä.
