Berechnung und Anwendung der vorübergehenden Kathodenschutzmaßnahmen für Meerwassertanks

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Die Korrosion von Tanks im Meerwasser ist hauptsächlich elektrochemischer Natur – das heißt, während des Korrosionsprozesses entsteht ein schwacher Strom. Nach den Prinzipien der Elektrochemie korrodiert an der Kathode einer Korrosionszelle nichts, während an der Anode Korrosion stattfindet. Wenn man also das zu schützende Metall zur Kathode macht, kann man die Korrosion verhindern. Diese Methode nennt man Kathodenschutz. Unter dem Einfluss der internationalen Ölpreise werden staatliche und private Unternehmen sowie insbesondere lokale Häfen immer mehr in den Bau von Rohöllagerstätten investieren. Bei der Errichtung großer Tanks ist der hydrostatische Drucktest eine unverzichtbare Prozedur. Aufgrund geografischer und wirtschaftlicher Gegebenheiten wird bei den meisten Öllagerprojekten das Meerwasser zum Testen verwendet. Um die Korrosion des Stahls durch das Meerwasser während des Tests zu minimieren, müssen an bestimmten Stellen des Tanks vorübergehende Kathodenschutzanlagen installiert werden. Zur Bestimmung der Art und Anzahl dieser Anlagen wurden gemäß GB50393-2008 sowie anderen relevanten Normen Berechnungen für einen Tank mit einem Fassungsvermögen von 100.000 Kubikmetern durchgeführt. Die Ergebnisse wurden anschließend in der Praxis überprüft – sie erwiesen sich als korrekt. Beim hydrostatischen Drucktest großer Tanks mit Meerwasser wird üblicherweise die Methode der Opferanoden verwendet.

**1 Grundlegende Parameter des Tanks**
1.1 Parameter für den vorübergehenden Kathodenschutz der Innenoberfläche des Tanks
1.3 Tankdurchmesser: 80 Meter
1.4 Höchster Wasserstand im Tank während des Tests: 20,2 Meter
1.5 Geografische Bedingungen: Das Meerwasser ist sauber, der Tank befindet sich nicht an einer Mündung. Der Salzgehalt des Meerwassers ist relativ hoch; es ist stark korrosiv gegenüber Stahl.
1.6 Dauer des vorübergehenden Kathodenschutzes: maximal 65 Tage

**2 Technische Designparameter**
2.1 Potenzial des Mediums während des Kathodenschutzes: -0,85 V bis -1,10 V (bezogen auf die Cu/CuSO4-Referenzelektrode)
2.2 Schutzbereiche: Unterseite der Schwimmkörper, Innenseite des Tankbodens, Innenseite der Tankwand
2.3 Dauer des Kathodenschutzes: 65 Tage
2.4 Schutzwirkung: Der Tank bleibt im Meerwasser korrosionsfrei. Die vorhandene Rostschicht auf dem Stahl wird beim Ablaufen des Wassers entfernt. Nach dem Ablaufen des Wassers bildet sich jedoch auf der freiliegenden Tankwand weiterhin Oxidrost – dieser lässt sich mit einem Tuch entfernen. Auf der Unterseite der Schwimmkörper sowie auf der Innenseite des Tankbodens entstehen geringe Mengen an Kalzium-Magnesium-Verbindungen.

**3 Berechnungen**
3.1 Berechnung der Schutzfläche
3.2 Schutzstrom
3.2.1 Auswahl der Stromdichte: Der Testzeitraum beträgt etwa 65 Tage. Im Gegensatz zu Offshore-Projekten, bei denen das System jahrzehntelang im Meerwasser eingesetzt wird, ist hier eine langsame Polarisation möglich – dadurch entsteht eine Schutzschicht aus Kalzium-Magnesium-Verbindungen. Dieser Prozess dauert ein bis sechs Monate und beeinträchtigt die Schutzwirkung kaum. Da der Testzeitraum nur wenige Tage beträgt, muss die Polarisationsgeschwindigkeit hoch sein – der Schutzstrom muss also so gewählt werden, dass er sofort wirkt.
3.2.2 Berechnung des Schutzstroms

**4 Auswahl der Anoden**
Die Anoden müssen folgende Kriterien erfüllen:
(1) Der Gesamtstrombedarf für die Polarisation des Tanks ist sehr hoch – daher muss die Stromausgabe pro Anode maximiert werden.
(2) Die Dauer des vorübergehenden Kathodenschutzes beträgt in der Regel 1–3 Monate, höchstens ein halbes Jahr – daher sollten die Anoden möglichst effizient sein, um unnötigen Verbrauch zu vermeiden.
(3) Die chemische Zusammensetzung der Anoden muss zur Geschwindigkeit der Polarisation im Meerwasser passen.
(4) Während des gesamten Schutzzeitraums müssen die Materialien so gewählt werden, dass keine überschüssigen Kalzium-Magnesium-Verbindungen entstehen, die die Schweißnähte blockieren könnten.
In diesem Entwurf wurden folgende Anoden verwendet:
(1) Für die Innenseite des Tankbodens und die Unterseite der Schwimmkörper: Modell HCAJ-D/10
(2) Für die Tankwand: Modell HCAJ-D/22
(3) Chemische Zusammensetzung der Anoden: HC-Stahl, speziell für vorübergehenden Kathodenschutz geeignet.

**5 Berechnung des Widerstands sowie der Stromausgabe der Anoden**
Der Verwendungsfaktor der Anoden beträgt 0,85.
Ergebnisse der Berechnungen:
(1) Auf der Unterseite der Schwimmkörper erzeugt jede Anode einen Strom von 10,20 A; die Lebensdauer beträgt 77 Tage.
(2) Auf der Innenseite des Tankbodens erzeugt jede Anode ebenfalls 10,20 A; die Lebensdauer beträgt 77 Tage.
(3) An der Innenseite der Tankwand erzeugt jede Anode 20,27 A; die Lebensdauer beträgt 85 Tage.
Alle Anoden erfüllen somit die Anforderungen an einen vorübergehenden Kathodenschutz über 65 Tage.

**6 Berechnung der Anodenzahl**
IP12: Stromausgabe der Aluminium-Magnesium-Indium-Cadmium-Anoden an der Innenseite des Tankbodens.

**7 Praktische Ergebnisse**
Im Projekt „Tianjin Oil Reserve Base“ wurde das Meerwasser zum Testen der Tanks verwendet. Dabei wurden Aluminium-Magnesium-Indium-Cadmium-Anoden zum Kathodenschutz eingesetzt. Nach Abschluss des Tests zeigte sich, dass die Anoden eine gute Schutzwirkung hatten – die Korrosion des Stahls durch das Meerwasser wurde deutlich reduziert.