Katodisk beskyttelse - design Ruth Sørensen, MSc, PhD, Seniorspecialist, COWI A/S rso@cowi.dk 1
Katodisk beskyttelse - design Princip Historik Design, grundlag/parametre Design, anodesystem Eksempler og erfaringer 2
Katodisk beskyttelse - princip Katodisk beskyttelse en elektrokemisk metode til korrosionsbeskyttelse af et metal opnået ved at en elektrisk strøm fra en ANODE tvinges fra den omgivende ELEKTROLYT ind i metallet, som herved optræder som KATODE Betongkonstruktioner i atmosfære Betongkonstruktioner i jord/vand KATODE Armering Armering ELEKTROLYT Betonens porevæske Betonens porevæske, jord, vand ANODE Strømkilde Placering internt i betonen/ eksternt på betonoverfladen Primært påtrykt strøm (ICCP) Dog ses nye typer af offeranoder (GACP) Placering eksternt i jord/vand Påtrykt strøm (ICCP) eller offeranoder (GACP) 3 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH
armering referense elektrode Katodisk beskyttelse - princip Pourbaix diagram for jern i vandig opløsning ( 25 o C, 1 atm) mv Primær effekt af katodisk beskyttelse: Skift af potentiale til mere negative værdier anode Cl - e - e - e - e - Cl - e - Cl - Cl - Cl - Cl - e - Cl - beton e - e - + DURACELL Potentiale, V KORROSION IMMUNT PITTING ph PASSIV KORROSION vandspaltning 2H 2 O + 2e - H 2 + 2OH - brint udvikling 4 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH
1824 1900 1973 1987 2003 2015 Katodisk beskyttelse - historik I dag har vi mere end 25 års erfaring med katodisk beskyttelse i Danmark 5 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH
Katodisk beskyttelse design - konstruktionens egnethed 3 KRAV SKAL VÆRE/KUNNE OPFYLDES bæreevnen skal være intakt katodisk beskyttelse retablerer ikke bortkorroderet armering dæklagets kvalitet skal være tilfredsstillende armeringen skal være elektrisk sammenhængende - kontinuert 6 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH dårlig ide ved f.eks. stålfiber armeret beton
Katodisk beskyttelse design - grundlag Standarder mv. DS/EN 1504-9: Produkter og systemer til beskyttelse og reparation af betonkonstruktioner - Definitioner, krav, kvalitetskontrol og overensstemmelsesvurdering - Del 9: Generelle principper for brugen af produkter (2010) DS-Håndbog: Beton - Del 3.2: Vejledning til renovering af betonkonstruktioner - Reparationsmaterialer og -systemer efter EN 1504-serien (2007) DS/EN ISO 12696: Katodisk beskyttelse af stål i beton (2012) Gælder for katodisk beskyttelse af stål i beton i såvel atmosfærisk luft som i jord og vand. DNV. Recommended Practice RP B401: Cathodic Protection Design (2011) Specielt velegnet til design af offeranodeanlæg 7
Katodisk beskyttelse design parametre bygherrens krav og de givne forhold Anlægstype Forebyggende beskyttelse eller reparationsmetode Fuldstændig eller delvis katodisk beskyttelse Påtrykt strøm anlæg (ICCP) eller offeranodeanlæg (GACP) Levetid/holdbarhed 10, 20 +,..., 100 år Konstruktionen Eksponeringsforhold/omgivende miljø (marint, tøsalt, havvand, jord,...) Tilstand (ny, lidt/meget nedbrudt, årsag,...) Geometri, armeringsgrad, kontinuitet, strømdræn, æstetik, EX-område,...) Adgangsforhold Drift og vedligehold (hvad kan og vil bygherren) 8 Enkelt/manuelt anlæg Aautomatisk, fjernovervåget anlæg
beton armering Katodisk beskyttelse design - komponenter 1 3 3 3 + 4 transformer/ensretter målekort 1. Armering 2. Anodesystem 3. Kabelføring 4. Transformer/ensretter 7 5. Referenceelektroder 6. Styresystem 7. Evt. Fjernopkobling 5 2 6 9
Katodisk beskyttelse design - anodesystemer DS/EN ISO 12696 opdeler anodesystemer i følgende typer for ICCP: Ledende malinger Metalliske coatings Aktiveret titan (titan med MMO) Ledende asfalt dæklag Ledende cementbaseret materialer Ledende keramiske materialer og for GACP (primært zink og aluminium): Varmtsprøjtede metaller Zink folier Enkelt anoder 10
Katodisk beskyttelse design - valg af anodesystem Oseberg A, skaft over vand Evalueringsskema Egnethed mht.: Skala: 1=God, 2=Acceptabel, 3=ikke god, 4=Uacceptabel Titananodenet sprøjtebeton Varmtsprøjtet zink/aluminium Varmtsprøjtet titan Anodesystemer Ledende grafitmaling Ledende betondæklag Indborede titan/grafitanoder Indfræsede titananodebånd Levetid 1 3 1 3 1 2 1 Pris 3 1 3 1 3 2 2 Installationstid 3 2 2 1 1 2 3 Strømkapacitet 1 3 1 2 2 3 2 Strømspredning 2 1 1 1 2 3 3 Mekanisk robusthed 1 1 2 3 1 3 1 Temperatur/fugtighed 1 1 1 3 1 1 1 Bølgesprøjt 2 1 2 2 3 1 2 Langtids erfaring 2 2 3 2 3 2 3 Korttidserfaring 1 1 2 1 2 2 1 Referencer 1 2 3 1 3 1 2 Æstetik 2 2 2 2 2 3 2 Arbejdsmiljø 2 2 2 2 2 1 2 Påvirkning af ydre miljø 2 3 2 2 1 2 2 Kortslutningsrisiko 2 1 4 3 3 4 3 Partiel udbedring 3 1 3 1 1 1 1 Udvidelsesmuligheder 2 1 1 3 1 1 1 Dokumentation 1 3 3 1 2 1 1 Entreprenørerfaring 2 2 4 1 2 1 3 Tilgængelighed af materialer/matriel 1 1 3 1 1 1 1 Ex-godkendelse (under drift) 1 1 3 3 1 3 1 Ex-godkendelse (ved installation) 3 3 3 1 2 1 3 Kontrol/styring 2 2 2 2 2 3 3 Forarbejde/reparationer 3 2 2 2 3 1 2 Vedligehold inden for 20 år 1 2 1 3 3 2 1 Total 45 44 56 48 48 47 47 11
armering armering armering Katodisk beskyttelse design - anodesystem Anode af titan med MMO _ + _ + _ + cementbaseret dæklag beton strømtilleder anodenet beton strømtilleder mørtel anodebånd beton strømtilleder back-fill anode anodenet fastgøres til betonoverfladen overdækkes med mørtel/beton eller sprøjtebeton anodebånd fastgøres direkte til betonoverfladen eller placeres i riller i dæklaget - overdækkes med mørtel eller sprøjtebeton. indborede anoder placeres i borede huller hullerne udfyldes med back-fill - grafitmasse eller indstøbes i mørtel 12
Eksempler: Bro 3-0029 UF af Hillerødmotorvejen (1987) Prøveprojekt, test af 3 anodesystemer 3 søjler med anodenet (titan med MMO) med sprøjtebeton overdækning 3 søjler med kabler (central kobber leder) med sprøjtebeton overdækning 3 søjler med indborede anoder (titan med MMO) + 3 søjler med polyurethan overfladebehandling samt 2 referencesøjler Jordanlæg udført i 1995 13
Eksempler: Bro 3-0029 UF af Hillerødmotorvejen 14 Eltech net med 25 mm sprøjtebeton Ferex 100 Raychem kabler (central kobberleder omgivet af ledende polymer, 30-35 mm sprøjtebeton Indborede anoder af titan monteret i huller omstøbt med grafitmasse (9 anoder)
Eksempler anodenet: Farum Midtpunkt, parkeringskælder (1990-1992) Opført i 1974-1979 Parkeringskældre med i alt 4000 betonsøjler Katodisk beskyttelse af 1359 anodezoner (søjler og vægge) 15
Eksempler anodenet: Farum Midtpunkt, parkeringskælder Anodesystem: Anodenet (titan med MMO) monteret i blivende forskalling af fiberbeton udstøbt med mørtel. 16
Eksempler anodenet: Langelandsbroen, pilletop (2008-2011) Systemet er anodenet med sprøjtebetonoverdækning i kombination m. indborede anoder. cementbaseret membran anodenet indboret anode sprøjtebeton 17 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH
Eksempler anodenet: Langelandsbroen, pilleskafte (2009-2013) Strømtilleder og kabler i kabelrør til samleboks i brodrager sprøjtebeton dæklag, sektioneres under støbningen anodenet med strømtilleder af titanbånd færdig overflade 18 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH
Eksempler anodenet: Langelandsbroen, sokler ned til parement (2009-2013) Strømtilledere Strømtilledere anodenet med sprøjtebeton dæklag på sokkel 19 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH
Eksempler anodenet: Langelandsbroen, bundplade i kassedrager (2010-2013) 20
Eksempler anodenet: Oxelösund (2009 2014) støbning i form membran 21 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH bjælke med anodenet bjælke med nyt dæklag
Eksempler anodenet: Ölandsbroen (2009-2011) støbning i form 22 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH kantbjælke med anodenet kantbjælke med nyt dæklag
Erfaringer anodenet med cementbaseret dæklag Traditionelt, velafprøvet og veldokumenteret anodesystem. Forberedelse af underlaget er altafgørende delamineret beton skal væk yderligt liggende armering < 15 mm dæklag skal isoleres fra nettet betonoverfladerne skal ruhugges 23 alt med måde - for kraftig ruhugning giver større risiko for kortslutning
Eksempler indborede anoder: Langelandsbroen, sokler (2009-2013) Indboret anode (3,5 m lang) 24 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH
Eksempler indborede anoder: Svendborgsundbroen (2011-2012) 25 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH
Eksempel indborede anoder: Jesuskirken - katodisk beskyttelse af stål i teglmur (2001-2002) Jesuskirken er indviet i 1884, klokketårn dog først opført i 1894-1895. Bygværket er fredet. Anodesystem: Ø3 mm titanstave placeret i borede huller i murværket. Indsat i ledende pasta med kulstof, hvilket muliggør let udskiftning af anoderne. Installationer er skjult af hensyn til æstetikken. anoder og ledninger i murværk. færdig installation. 26
Erfaringer indborede anoder (titan m. MMO) Velafprøvet anodesystem i forskellige udformninger Anoderne er følsomme mht. direkte fugtpåvirkning anoderne bør undersænkes og betonoverfladen forsegles evt. over anoderne ved for stort strømoutput lokalt på anoden: - dannes syre, og omstøbningsmørtlen nedbrydes - udvikles gas, og anoden rives i værste fald over pga. gastrykket 27
Eksempler anodebånd: Kronprins Fredriks bro (2009-2010) riller med anodebånd i fuger 28 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH borekerne med anodebånd
Eksempler anodebånd: Farøbroerne (2008-2009) riller med anodebånd omstøbt med mørtel kontrol af afstand til armering 29 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH
Eksempler anodebånd: Siøsundbroen (2014-2015) 30
Erfaringer anodebånd (titan m. MMO) Velafprøvet anodesystem i forskellige udformninger Anoderne er følsomme mht. direkte fugtpåvirkning anoderne skal omstøbes omhyggeligt med stort dæklag og uden revner i støbeskel. Støbeskel i fugtpåvirkede områder forsegles. ved for stort strømoutput lokalt på anoden dannes syre, og omstøbningsmørtlen nedbrydes 31
Eksempler: Langelandsbroen - pilotprojekt (2012) Underside kassedrager, celle 1 og 5 3 anodesystemer cassette system: Titan bånd med MMO i kassetter med mineraluld og ledende hygroskopisk væske. Telpro bånd system: Ti-bånd med MMO og sprøjtebeton dæklag tape system: Ti-tape med MMO og ledende mørtel dæklag 32 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH
Eksempler anoder i vand + + + _ Offernoder: Anoder monteres direkte på betonoverfladen/ stålkonstruktionen _ System med påtrykt strøm: Anoder monteres direkte på betonoverfladen eller på havbunden + 33 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH
Design: Ensretter og styresystem central system Siø Langeland Fjernkommunikation via internettet Anodezone P2,. P11 Anodezone P12,. P21 Placering af enretter og styresystem Underenheder Underenheder Central enhed med styresystem Kommunikation mellem enheder i de 2 endefag via fiberoptisk kabel Underenhed omfatter: - strømmodul (forsynes fra fælles transformer/ensretter) - målekort - lokal PC 34 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH Eksempel på central system, hvor alle kabler er trukket til de to landfæstefag.
Design: Ensretter og styresystem decentralt system Lokale ensrettere (120 anodezoner) med decentral styring og intern kommunikation via databus kabel til central PC. Ekstern kommunikation via internettet. 35 IDA. KATODISK BESKYTTELSE - DESIGN. RUTH
Konklusion Katodisk beskyttelse af armerede betonkonstruktioner har været anvendt i Danmark i mere end 25 år. Valg af anodesystem er den væsentligste del af designet da: anodesystemet skal have kapacitet og udforming til at fordele beskyttelsesstrømmen til armeringen anodesystemet skal som oftest have en holdbarhed svarende til det katodiske beskyttelsesanlægs levetid Til anlæg med påtrykt strøm er der generelt anvendt anoder af titan med MMO: anodesystemerne har vist sig holdbare, dog har der være konstruktive udformninger, der har været knap så hensigtsmæssige. andre anodematerialer har været anvendt med varierende succes. 36
Tak for opmærksomheden! Tidligere ensretter til påtryk strøm anlæg for yderside af Tingstadstunnelsen 37