潮の満ちた川で鋼鉄杭の壁を10年間観察してきた人に尋ねれば、同じ話を聞くだろう。構造物は何年も問題がないように見えましたが、その後、干潮のすぐ下、まさに誰も見えない場所でセクションの損失が発生します。陰極防食と犠牲陽極は、その話を中断するために存在します。これらは新しいテクノロジーではなく、専門用語を取り除いてしまえば複雑ではありませんが、悪用されやすいものでもあります。このガイドでは、2 つの方法がどのように機能するか、実際にアノード システムのサイズがどのように設定されるか、そして壁自体がスチールではなくポリマーで作られると全体の会話がどこに変わるのかについて説明します。

陰極防食が実際に行うこと

鋼は周囲と電気化学セルを形成するため腐食します。表面の一部は陽極として機能し、鉄イオンを水または土壌に放出し、電子を放出します。別の部分は陰極として動作し、そこで電子が消費されます。電解質（海水、汽水、湿った土壌）にはイオン電流が流れ、鋼自体には電子電流が流れます。これら 3 つの要素のいずれかを除去すると、腐食が止まります。

陰極防食は電気的側面から問題に取り組みます。鋼に陽極サイトで独自の電子を供給させる代わりに、外部ソースから電子を供給します。アクティブ領域はカソードのパッシブ状態になります。実際には、腐食反応を止めるのではなく、別の場所で腐食反応を起こさせることになります。

これらの電子を供給する方法は 2 つしかありません。鋼鉄を、その場で腐食するより反応性の高い金属（犠牲陽極、またはガルバニック陽極）に接続するか、不活性陽極（印加電流陰極保護、通常 ICCP と短縮される）を介して電源から構造に電流を流し込みます。

犠牲陽極の仕組み

犠牲陽極は、それが保護する鋼よりも貴さの低い単なる金属の塊です。 2 つを電気的に接続し、両方を同じ電解液に入れると、アノードが腐食面になります。桟橋の鋼杭には、ウェブにボルトで固定された亜鉛またはアルミニウム合金のブレスレットが取り付けられるか、フェンダー ラインに溶接されたスタンドオフ ブラケットが取り付けられることがよくあります。アノードはゆっくりと溶解します。パイルはそのまま残ります。

駆動電圧は 2 つの金属間の電位差から得られるため、外部電源は必要ありません。それがガルバニ システムの大きな強みであり、その上限でもあります。電圧が小さいため、遠く離れた表面またはよくコーティングされた表面に到達する電流は制限され、アノードの質量は有限であり、設計寿命にわたって消費されます。アノードが失われると、保護も失われます。そのため、交換へのアクセスが最初の計算と同じくらい重要になります。

陽極金属と水の適合

アノードの選択は主に電解質に関係します。抵抗率、塩分、温度、溶存酸素はすべて選択を変えるものであり、選択を誤ると通常、質量が無駄になるか、さらに悪いことに、保護するはずだったコーティングにダメージを与える過保護を意味します。

マグネシウムは意図的に海水列から除外されます。より高い駆動電圧は、乾燥した抵抗力のある土壌では有効ですが、塩水では鋼の電位が十分にマイナスに押し上げられ、表面で水素が発生し、コーティングに膨れが生じる可能性があります。また、計算よりも早く消費されます。亜鉛とアルミニウムの合金が海洋世界の主力製品であるのは、まさにこの理由からです。

犠牲陽極か印加電流か?

ダイバーや小型ボートが適切にアクセスできる単一の短い矢板壁の場合、ガルバニック陽極に勝るものはありません。変圧器の整流器や保護するケーブル、故障する電源はなく、システムは陽極の交換が必要になるまで基本的にメンテナンスフリーです。

ICCP は大規模な構造物で勝利します。何百もの杭がある長い桟橋や、陽極が海底の離れたスレッドに設置されている構造では、ガルバニック システムが供給できるよりも多くの電流が必要です。通常、混合金属酸化物でコーティングされたチタンまたはグラファイトである印加電流アノードは、はるかに高い電圧で駆動でき、コーティングの劣化や環境の変化に応じて出力を調整できます。その代わりに、より高い資本コスト、恒久的な電力要件、監視装置、および有能なオペレーターが管理しなければならないシステムを受け入れることになります。

合理的な経験則: 現在の需要が控えめで、構造がコンパクトな場合は、ガルバニックのままにしてください。数千平方メートルの鋼鉄を保護していて、数トンのアルミニウムの代わりに 1 つの制御パネルが必要な場合は、印加電流を調べてください。

システムのサイジング: 電流、エリア、時間

すべての設計は現在の需要から始まり、現在の需要は接液面積から始まります。

• 保護する鋼の浸漬および埋設表面積を計算します。
• その環境の設計電流密度を掛けます。通常、平方メートルあたりのミリアンペアで表されます。
• 鋼材が塗装されている場合は、コーティング破壊係数を適用します。これは、現在 95% が無傷であるコーティングは 15 年後には維持されないためです。

簡単な図解。海水中の 25 mA/m² の裸鋼 600 平方メートルには、約 15 A が必要です。これを 20 年間維持するには、約 260 万アンペア時の充電が必要です。これは、利用率を適用する前に、2,000 Ah/kg で約 1.3 トンのアルミニウム合金陽極材料に相当します。これは、陽極が小さな付属品だと思っていた人々を驚かせる数字です。

2 つの次元は 2 つの異なるものを制御します。アノードの長さ、したがって表面積によって、アノードがいつでもどれだけの電流を押し出すことができるかが決まります。アノードの断面積、したがって質量によって、それをどれだけ長く続けることができるかが決まります。長くて薄いアノードは高電流を供給しますが、寿命は短くなります。短くて太いものはその逆になります。優れた設計は、所有者が実際に耐えられる交換間隔と両方のバランスをとります。

指定する前に知っておくべき制限

陰極防食は、連続的な電解液と明確な電気経路がある場合にのみ機能します。これにより、いくつかの実際的な境界が作成されます。

• 流れを運ぶ水がないため、スプラッシュゾーンとその上のすべてを保護することはできません。そのバンドには、コーティングの厚さ、腐食代、またはまったく異なる材料が必要です。
• タイトなフェンダーの後ろに隠れたり、隙間に閉じ込められたりした鋼鉄などのシールドされた表面には、近くにどれだけ多くの陽極を取り付けても、ほとんど電流が流れないか、まったく電流が流れません。
• 近くの溶接セット、路面電車システム、またはその他の CP 設備からの迷走電流は、保護されていない鋼材の腐食を防ぐどころか、促進する可能性があります。
• 過保護は本当の失敗モードです。電流が多すぎると、コーティングが損傷し、陽極の質量が無駄になり、高張力鋼では水素脆化の懸念が生じます。

これがポリマー矢板にとって何を意味するか

ここは、会話の中で省略されがちな部分です。陰極防食は鋼を保護します。ビニールまたは PVC 矢板の壁は誘電体です。イオンを放出する鉄も、遮断する電気化学セルも、パネルにボルトで固定したとしても何か役立つ陽極もありません。プロジェクトが鋼鉄矢板からポリマー矢板に切り替わると、整流器、年次調査、陽極交換プログラムとともに陰極防食パッケージは通常完全に消滅します。

だからといって、ポリマーがあらゆる問題の解決策になるわけではありません。適切な荷重、適切な土壌、適切な露出に合わせて壁を選択する必要があり、壁には依然として賢明な設計が必要です。しかし、保護の原動力が塩化物攻撃、汽水域、または非常に長いメンテナンス期間である場合、経済性は 耐食塩ビ矢板 多くの場合、20 年に渡って陽極を交換した鋼鉄の壁とは見た目が大きく異なります。

ワークショップからの 1 つの警告: いわゆるポリマー壁の多くには依然として鋼が含まれています。タイロッド、アンカープレート、ウェーラー、および接続ブラケットは、亜鉛メッキまたはコーティングされたスチールであることが多く、上記と同じ電気化学反応に完全にさらされたままになります。これらのコンポーネントは、たとえ矢板自体が不活性であっても、陽極または材料の変更に値する可能性があります。これを最も頻繁に目にするのは、 海洋工事におけるビニール矢板壁 、パネルはポリマーですが、壁の後ろの固定具はポリマーではありません。

わかりやすい言葉での監視と保守

ガルバニック システムは、参照電極と高インピーダンス電圧計を使用してチェックできます。海水中の鋼の場合、一般的な許容基準は、銀/塩化銀の基準に対して約 -0.80 V の電位、または設置前に測定された自由腐食電位からの 100 mV のシフトです。設計がどのような基準を採用するにせよ、最初の測定値は今後存在する唯一のベースラインとなるため、記録してください。

調査は通常、年に 1 回、または年に 2 回行われます。有用な出力は、壁に沿った保護の可能性、予測速度に対するアノードの消費量、およびコーティングが想定よりも早く分解した兆候などです。アノードが予想よりも早く消耗している場合は、現在の需要が過小評価されているため、保護が機能しなくなる前に改修を行う必要があります。

プロジェクト チームから寄せられる質問

既存の壁に陽極を追加できますか?

はい、それは一般的です。ブレスレットおよびスタンドオフ陽極はダイバーによって取り付けられ、リモート陽極システムは近くの海底に設置できます。通常、制約は理論ではなく、アクセスと既存の鋼材の状態です。

鋼材が十分にコーティングされている場合、陰極防食は必要ですか?

優れたコーティングは現在の需要を大幅に削減しますが、あらゆる欠陥、エッジ、溶接部を保護する必要性がなくなるわけではありません。設計コードでは、まさにこの理由からコーティングの破壊要因を想定しています。

ポリマー壁には腐食保護が必要ですか?

パネルはそうではありませんが、システム内のすべての鋼製コンポーネントは引き続き影響を受けます。アンカー、接続部、その他濡れたままになっているものを確認してください。

矢板壁を構築してきた 10 年間の経験から、腐食に関する決定は通常、不完全な情報に基づいて早期に行われ、その後何十年も耐えられることが分かりました。プロジェクトが電気防食パッケージを目指している場合は、適切なサイズを設定し、初日から交換の予算を立ててください。スチールフリーの壁に向かっている場合は、水から見える部分だけでなく、システム全体がスチールフリーであることを確認してください。いずれにせよ、その決定の重要な側面について貴社のエンジニアと喜んで話し合うことができます。