Opferanoden gegen den Rost

Simulation des Korrosionsschutzes einer Ölplattform

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Korrosion ist der unerbittliche Gegner von Strukturen aus Stahl. Alleine in den USA führen Korrosionsschäden zu geschätzten Kosten von 170 Mrd. Dollar pro Jahr. Aufgrund der zahlreichen und komplexen Komponenten von Öl- und Gasförderanlagen, die besonders für raue Umgebungsbedingungen ausgelegt sein müssen, fällt ein beträchtlicher Anteil dieser Kosten in der Öl- und Gasindustrie an.

Ob bei Produktionsplattformen oder Ölförderleitungen, die Korrosion beginnt am ersten Tag nach dem Stahlguss. Daher benötigen diese Komponenten von Anfang an eine Strategie für den Korrosionsschutz. Offshore-Strukturen, die dem Meerwasser ausgesetzt sind, können mit einem kathodischen Schutz gegen Korrosion ausgestattet werden. Strukturen wie Ölplattformen, die sich aufgrund der Gezeitenänderungen sowohl im als auch über dem Wasser befinden, profitieren am meisten von dieser Art des Schutzes, da der Materialverlust durch Korrosion beschleunigt wird, wenn die Anlagen sowohl Salzwasser als auch Luft ausgesetzt sind. Für den kathodischen Schutz gibt es verschiedene Strategien, darunter der Einsatz eines externen, elektrischen Fremdstromes oder einer Opferanode. Aufgrund ihrer Einfachheit werden in den meisten Fällen Opferanoden als Schutz eingesetzt.

Kathodischer Schutz

Ein kathodischer Schutz mit Opferanoden folgt einer einfachen Strategie: Eine Stahlstruktur ist elektrisch mit einem weniger edlen Metall, z. B. Aluminium, verbunden. Wenn die Struktur dem Meerwasser, das als Elektrolyt fungiert, ausgesetzt ist, kommt es zu einer anodischen Polarisierung der Opferanode und einer kathodischen Polarisierung der Stahlstruktur. Die Anoden werden durch die anodische Ablösung des Metalls aufgelöst und auf der Oberfläche der Stahlstruktur findet eine Sauerstoffreduktion statt. In der linken Grafik auf Seite 13 ist eine Beispielgeometrie einer Ölplattform zu sehen, bei der 40 zylindrische Opferanoden relativ nahe um die Ölplattform herum angeordnet wurden. Die Polarisierung der Anoden und die auf der Oberfläche der Stahlstruktur stattfindenden Sauerstoffreduktionsreaktionen sind maßgeblich für den Korrosionsschutz. An dem Punkt, an dem der Kathodenstrom die gleiche Größe (jedoch mit unterschiedlichen Vorzeichen) hat wie der Anodenstrom, ist der Korrosionsschutz gewährleistet. Die Stromdichte der Sauerstoffreduktion ist durch die Sauerstoffzufuhr begrenzt. Das Ergebnis ist ein nahezu konstanter, transportlimitierter elektrischer Strom mit einer Spannung von wenigen hundert Millivolt und einer Reihe von Potenzialdifferenzen an der Oberfläche der Struktur. Solange die Sauerstoffreduktion an der Oberfläche stattfindet, wird der Stahl vor Korrosion geschützt. Der kathodenlimitierte Strom führt zur Korrosion der Opferanode und bietet der Ölplattformstruktur einen gewissen Schutz.

Simulation des Korrosionsschutzes

Um die Plattform vollständig zu schützen, müssen die Entwicklungsingenieure sicherstellen, dass die verschiedenen, zu schützenden Komponenten der Struktur im Bereich des Korrosionsschutzes liegen. In anderen Worten, die von den Anoden gelieferte Spannung muss ausreichen, um die Sauerstoffreduktion am Stahl anzutreiben und den Strom zu stabilisieren. Im ersten Schritt der Auslegung des Schutzsystems wird das Potenzial der Stahlstruktur untersucht. Dabei wird ein konstanter Kathodenstrom (Sauerstoffreduktion) angenommen. Dieser gewährleistet, dass die Anoden in der Lage sind, das benötigte Potenzial zu liefern, und den vorgegebenen Strom aufrechtzuerhalten. Das Potenzial muss sich dabei innerhalb des Bereichs befinden, in dem die Sauerstoffreduktion die Struktur schützt und die Wasserstoffbildung vermieden wird.

Die multiphysikalische Simulation kann genutzt werden, um das elektrolytische Potenzial an der Oberfläche der Anoden und der Stahlstruktur (Kathode) vorherzusagen. Der Oberflächenplot in den Grafiken zeigt, wie das Potenzial, in Abhängigkeit der Anodenpositionen, um mehrere hundert Millivolt variiert. Je kleiner das elektrolytische Potenzial an der Schnittstelle, um so positiver ist die Potenzialdifferenz zwischen Plattform und Meerwasser – ein erwartetes Ergebnis, da der Strom im Elektrolyt von den Anoden zur Kathode fließt. Im Detailausschnitt einer Stütze der Struktur ist zu sehen, dass der innere, untere Teil der Stütze über das geringste Potenzial verfügt, was darauf hinweist, dass dieser Teil der Struktur anfällig für Korrosion ist.

Korrosionsprozesse verstehen

Die Simulationssoftware Comsol Multiphysics kann sehr einfach genutzt werden, um Einblicke in die Strom- und Spannungsverteilungen elektrochemischer Systeme zu erhalten. In diesem Modell wurde das Potenzial des Elektrolyts zunächst durch eine Näherung bestimmt, bei der von einer konstanten Stromdichte in der Kathodenstruktur ausgegangen wurde. Aus dem Modell lässt sich ableiten, dass, je niedriger das Potenzial des Elektrolyts ist, die Struktur umso schlechter vor Korrosion geschützt ist. Mit dieser Information kann das Modell genutzt werden, um einen guten Überblick darüber zu erhalten, welche Stellen der Ölplattform weniger geschützt und daher anfälliger für Korrosion sind. Das Modell kann außerdem sehr einfach erweitert werden, sodass auch zusätzliche Effekte, wie Überspannungen oder Konzentrationsgradienten, berücksichtigt werden. So erhalten die Ingenieure ein sehr umfassendes Verständnis der vorherrschenden Korrosionsprozesse.

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Suchwort: cavPC117comsol


Kurz & Bündig :   Softwaretool zur Simulation

Mit der Version 5.3 von Comsol Multiphysics steht für die Modellierung von Elektrostatik und Korrosionseffekten die Boundary Element Method (BEM) zur Verfügung. Mit der BEM können Anwender Modelle mit unendlichen Bereichen und Hohlräumen simulieren und Simulationen aufsetzen, die Draht- und Balkenmodelle sowie Oberflächen und Volumenkörper in einem Modell kombinieren. Typische Anwendungen für diese Funktionalität sind die Modellierung von elektrischem Kathodenschutz, Kabeln oder kapazitiven Sensoren. Darüber hinaus werden Anwender, die mit großen CFD-Modellen arbeiten, vom Algebraischen Multigrid (AMG) Solver profitieren. Der AMG Solver ist die Standardoption für viele Physik-Interfaces zur Simulation von Flüssigkeitsströmungs- und Transportphänomenen. Bei der Modellierung turbulenter Strömung profitiert der Nutzer von robusteren Berechnungen im Zusammenhang mit der automatischen Behandlung von Wänden. Diese Eigenschaft kombiniert die genaue Formulierung bei kleinen Reynoldszahlen mit Wandfunktionen.




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