Korrosion i jord och katodiskt skydd 4 S

Korrosion i jord och katodiskt skydd 4 S ledningsnät konferens 11 nov 2016 Bertil Sandberg Carl-Johan Högberg 1

Del 1: Korrosion i jord Bertil Sandberg bertil. sandberg@swerea. se 2

3

4

Korrosionsorsaker • Aggressiv jord eller heterogen kringfyllning (olika luftning) • Galvanisk korrosion pga olika material • Läckström

Jordars korrosivitet Styrs främst av syretransport och fuktförhållanden. Andra inverkande faktorer: grundvattenytans läge, resistivitet, p. H, organiskt material, sulfid , förekomst kol/koks. Stål/gjutjärn sand~sandig morän<torv~lera<gyttjig lera sandfyllning positivt Zink sand~sandig morän<lera<gyttjig lera<torv Mycket gynnsamt om hög halt Ca. CO 3 Klart gynnsamt om sandfyllning 6

Luftningscell 7

Anod Fe→Fe 2+ + 2 e. Likström Katod ½ O 2 + H 2 O→ 2 OH- 8

Galvanisk korrosion 9

Faktorer som påverkar den galvaniska korrosionen Fa • Areaförhållandet mellan anod (oädlare materialet) och katod (ädlare materialet) • Jordens ledningsförmåga. • Potentialskillnaden mellan de båda metallerna. • Om den ädlare metallen är passiverbar eller inte. 10

Läckström 0 V 3, 2 V Korrosionshastighet = konst x ∆U =konst x 3, 2 11

3, 0 V 3, 2 V 3, 3 V 3, 2 V Korrosionshastighet = konst x ∆U =konst x 0, 2 12

Beläggningar • En tät beläggning minskar risken för korrosion orsakad av korrosiv jord. • En tät beläggning kan ge lokalt högre gropfrätningshastighet vid galvanisk korrosion och/eller läckström. Angreppet blir dock bara lokalt. Viktigt med god beläggning i inläckningsområden. 1 m. A, 1 cm 2, 10 mm/år 1 m. A, 100 cm 2, 0, 1 mm/år 13

200 eller 400 g zink /m 2? 14

Utan kringfyllning med sand 15 5 nk ö pi n xå Li ho oc k St La lm rg bo öt e G pi g 0 g Li nk ö pi n xå La ho oc k St öt eb or lm g a G nt un lle So kö pi ng 0 under GW a 5 under GW över GW 10 nt un Sand+ Ca. CO 3 över GW kö 10 15 lle Gyttjig lera Lera 15 20 ng Lera 20 25 So Torv Jämn korrosionshastighet, µm/år 25 En Gyttjig lera+ hög klorid En Jämn korrosionshastighet, µm/år Zinkens korrosionshastighet 7 -8 års exponering Med kringfyllning med sand

Jämn korrosionshastighet, µm/år Zinkens korrosionshastighet i jord med hög kalkhalt (god barriärverkan) 7 6 5 4 över GW 3 under GW 2 1 0 1 16 3 7 Exponeringstid, år 18

Steg 1 – Zinken barriär Pro 28 µm zink Zink Plus 56 µm zink Låg korrosivitet 1, 5 µm/år Hög korrosivitet 4, 5 µm/år Steg 1 17 Pro Låg korrosivitet 19 Hög korrosivitet 6 Zink Plus Låg korrosivitet Hög korrosivitet 38 12

Steg 2 – omgivande zink skyddar skadan Ytan där zink frätts bort 2% Zink på övriga ytor som skyddar blottlagt gjutjärn 10% Steg 1 2 1+2 Pro Låg korrosivitet 19 9 28 år Hög korrosivitet 6 9 15 år Zink Plus Låg korrosivitet Hög korrosivitet 38 12 18 18 56 år 30 år Tiden för steg 1 och 2 fördubblas (beror på mängd zink) 18

Steg 3 – Gropfrätning på gjutjärn 16 14 12 10 8 över GW 6 under GW 4 2 g nk ö pi n xå Li ho oc k St La lm rg bo öt e G lle So pi kö En 19 a 0 ng På lång sikt < 10 µm/år 18 nt un 18 års exponering i kringfyllning av sand Jämn korrosionshastighet µm/år • Ej galvanisk korrosion • Ej läckström • Ej luftningsceller (EPDM, homogen kringfyllning)

100 90 80 70 60 50 40 över GW 30 under GW 20 10 20 g nk ö pi n xå Li ho oc k St La lm rg bo öt e G nt un lle So pi kö En Ansätter 70 µm/år a 0 ng Max hastighet gropfrätning efter 18 år i kringfyllning av sand Max lokal korrosionshastighet, µm/år Gropfrätningshastighet

Steg 3 och totalt DN 100 200 500 Godstjocklek, mm 6, 0 6, 3 9, 0 Tid till perforering, år 85 90 128 Förlängning Livslängd av livslängd, Zink Plus, år % DN Korrosivitet Livslängd Pro, år 100 Låg 113 141 25 100 Hög 100 115 15 200 Låg 118 146 24 200 Hög 105 120 14 500 Låg 156 184 18 500 Hög 143 158 11 Låg korrosivitet 20 -25%, hög korrosivitet 10 -15 % 21

Del 2: Katodiskt skydd – Korrosionsskydd för jordförlagda metalliska föremål Carl-Johan Högberg carl-johan. hogberg@swerea. se 22

Agenda 23 Introduktion Katodiskt skydd Korrosionsmekanismer på rör Tekniken katodiskt skydd Olika utformningar av katodiskt skydd

Intro • Katodiskt skydd – En korrosionsförebyggande åtgärd • Varför korrosionsskydda? § Korrosion leder till kortare livslängd än väntat § Korrosion leder till ökade kostnader § Korrosion kan leda till olycksfall • Katodiskt skydd på båtar sedan slutet av 1800 -talet • För rör i USA sedan 30 -talet, Europa något senare 24

Korrosionsmekanismer på rör • • Stål, gjutjärn, Fe Upplösning av metall Genomfrätningar Korrosionstyper • • • Luftningsceller Galvanisk Läckström Omgivning (resistivitet, p. H, salinitet) Mikrobiell Anodreaktion: Fe -> Fe 2+ + 2 e. Katodreaktion: 2 H 2 O + O 2 -> 4 OH- 25

Beläggningar • Beläggningar är det primära skyddet mot korrosion • Korrosion hade inte skett om beläggningar varit: § Elektriskt icke ledande § Defektfria § Bibehålla ovanstående egenskaper över tiden Fuktinträngning, nötning, tappad vidhäftning leder till ökade korrosionsrisker 26

Tekniken katodiskt skydd • • Komplement till beläggning Gör järn immun mot korrosion Offeranod/Påtryckt ström Går att applicera på befintliga och nya rör Svag likström matas från anoden till ytan som ska skyddas Elektroner genom anslutningskabel, jonisk ström genom jorden Röret blir katod -> Katodreaktioner vid röret! Anodreaktion: Fe -> Fe 2+ + 2 e. Katodreaktion: 2 H 2 O + O 2 -> 4 OH- 27

Offeranoder • Galvaniska strömmar – Potentialskillnad mellan anod och rör • Begränsad strömutmatning • Anoden förbrukas – begränsad livslängd Ungefärlig korr. pot. mot Cu/Cu. So 4 [m. V] Mg Zn -1500 -1150 Pot. skillnad ∆E, mellan 650 offeranod och kolstål [m. V] 300 Verkningsgrad [%] 50 95 Anodförbrukning [kg/(A. år)] 8, 0 11, 3 Max jordresistivitet [Ωm] 5000 28

Påtryckt ström • • 29 Påtryckt ström från likriktare som är ansluten till elnätet Ger möjlighet att kontrollera strömmen Kan skydda längre sträckor än offeranoder Större risk för läckströmspåverkan

Skyddsprincip Sänkning av elektrodpotentialen ned till immunitetsområdet Korrosionen ska vara <10 μm/år för ett fullständigt skyddat föremål enligt SS-EN 12954, Katodiskt skydd av metalliska konstruktioner i jord eller vatten – Allmänna principer och tillämpning på rörledningar 30

E [m. V] 31 Korrosionshastighet [μm/år]

Användningsområden i jord • Krav: Vattenledningar Naturgasledningar Cisterner Stålpålar Stålspont 32 § Metalliskt material § Omgiven av elektrolyt (jord/vatten)

Olika utformningar av katodiskt skydd • Vid läcka installeras offeranoder • Liten kostnad vid läcklagning: Offeranoder ca 2 000 kr 33

Olika utformning av katodiskt skydd • • 34 Befintliga rör med icke ledande skarv Lämpligt på kortare sträckor med hög korrosivitet Offeranoder med överbryggning mellan varannan skarv Kostnad: offeranod + schakt

Olika utformningar av katodiskt skydd • Nya rör med bra beläggning, strömmen kan sträcka sig långt § Krävs avgränsning för att uppnå skydd 35

Olika utformningar av katodiskt skydd När fungerar inte katodiskt skydd? • Gamla rör med dålig beläggning kräver för hög ström § Risk för interferens i tätbebyggda områden § (Eventuell lösning med näranod med påtryckt ström) • Om ledningen är förbunden med andra jordade konstruktioner • För hög markresistivitet 36

Rekommendation • Installera offeranod vid läcka § • Vid nyläggning av Stålrör/Segjärnsrör: Installera katodiskt skydd på utsatta sträckor § 37 Till slut har man åtgärdat de svaga punkterna nätet Minskar risken för och ökar tiden till läckage

Vi arbetar på vetenskaplig grund för att skapa industrinytta. www. swerea. se 38

Bertil Sandberg bertil. sandberg@swerea. se Carl-Johan Högberg carl-johan. hogberg@swerea. se 39