Galvanische corrosie

Cathodische bescherming was voor het eerst ontwikkeld door Sir Humphrey Davy in 1824 als een middel om corrosie onder controle te krijgen op Britse marineschepen.

Hoe onstaat corrosie?

Metaal

Een metaal is samengesteld uit moleculen en atomen die in een vaste structuur geschikt zijn. De atomen worden omgeven door elektronen die zich redelijk vrij kunnen bewegen. Het vrij bewegen van elektronen staat het metaal toe om elektriciteit de geleiden wat fundamenteel het voortbewegen van elektronen is.

Scheepshuid

Een scheepshuid (staal) en andere metalen die in contact zijn met water hebben een voorraad aan negatief geladen elektronen die klaar staan om zich te verplaatsen naar positief geladen elektronen.
Spijtig genoeg is het zeewater, brakwater of zoetwater, goed voorzien van positief geladen elektronen die op zoek zijn naar bronnen met negatief geladen elektronen om zo tot een zeker stabiel evenwicht te kunnen komen. Elk metaal dat zich in het water bevind is een perfecte bron van negatief geladen elektronen.

Water

Niet alle water is gelijk. Als het water iets zuurder is, meer zout bevat of meer zuurstof ( door golven, branding enz ) dan zal dat water positiever zijn en veel gemakkelijker elektronen gaan stelen op uw boot.

Oxidatie

Het verwijderen van elektronen uit een negatief geladen medium noemt men oxidatie wat overeenkomt met roest en corrosie.

Oplossingen

Gelukkig kan het potentieel aan elektronen op de scheepshuid en kan het corrosief potentieel van water gemeten worden om de juiste actie te kunnen nemen.

Volg de elektronen om een idee te krijgen over corrosie op delen van de boot

 

Natuurwet:

Metalen ondergedompeld in een elektrolyt, een elektrisch geleidende vloeistof, hebben allen een specifiek elektrisch potentiaal dat meetbaar is met een MILLI voltmeter. Er bestaan geen twee metalen die hetzelfde elektrisch potentiaal hebben.

Via metingen ten opzichte van een referentiemetaal kan een tabel opgemaakt worden die alle metalen rangschikt in termen van het potentiaalverschil ten opzichte van het referentiemetaal. In de marine wereld worden deze potentiaalverschillen gemeten ten opzichte van zilver in zeewater van ca 10 graden Celsius met een snelheid van 5 à 8 knopen.

De galvanische cel

Een galvanische cel wordt gevormd door twee VERSCHILLENDE metalen ondergedompeld in een elektrolyt en elektrisch verbonden op een of andere manier.

Tabel galvanische serie

  • 18/8 roestvrij staal Type 316 heeft een potentiaal van 0.00 tot -0.10 volt
  • 18/8 roestvrij staal Type 304 heeft een potentiaal van -0,05 tot -0,10 volt
  • 18/8 Type316 in stilstaand water heeft een potentiaal van -0,43 tot -0,54 volt
  • 18/8 Type 304 in stilstaand water heeft een potentiaal van -0,46 tot -0,58 volt
  • Aluminium legeringen hebben een potentiaal van -0,76 tot -1,00 volt
  • Zink heeft een potentiaal van -0,98 tot -1,03 volt

Er kan een vergelijking gemaakt worden met 2 vaten water, met elkaar in verbinding, die onder een verschillende druk staan. Het water loopt van het vat met de hoogste druk naar het vat met de laagste druk. Er is echter wel een verschil tussen de watervaten en de metalen. Bij metalen zal het natuurlijk potentiaal nooit uitgevlakt worden. Je kan dit vergelijken met een gat in de tank water met de laagste druk, het water zal blijven vloeien tot de tank met de hoogste druk leeg is.

Naar analogie zal de stroom ophouden wanneer het metaal met het hoogste potentiaal is opgelost in het elektrolyt. De stroom vloeit van Zink naar roestvrij staal en zal ophouden met vloeien van de zinkanode naar het roestvrijstaal als de zinkanode is verdwenen. De conventionele stroom vloeit van de anode naar de kathode. De electronen vloeien van negatief naar positief.
( KNAP = Kathode negatief – Anode positief )

De stroom naar het roestvrijstaal zal echter wel blijven vloeien, alleen vertrekt deze niet meer vanaf de zinkanode maar bijvoorbeeld vanaf het aluminium motorblok naar het roestvrij staal. Deze stroom blijft vloeien zolang er aluminium aanwezig is. Het aluminium motorblok wordt vernietigd.

Metalen op de scheepshuid

Casco in kunststof

De kwaliteit van het metaal bepaald mede de stand tijd van het onderdeel met betrekking tot corrosie.
Hoe “edeler” het metaal, hoe minder het onderhevig is aan corrosie.

Alle metalen op de scheepshuid zijn aan boord niet met elkaar verbonden door een gemeenschappelijke geleider.

  • Scheepsschroef, verbonden met de schroefas, de keerkoppeling en met het motorblok.
  • Bronzen huiddoorvoeren ( voor water, koeling… )

Ondergedompeld in water, binnen of buiten de boot, zullen deze onderdelen een galvanische cel vormen waarbij elektronen vloeien van het minst edele metaal door het water ( ook bilge water ) naar het edelere metaal.
Elk onderdeel zal dit doen op een spanning gelijk aan deze van het galvanisch element dat gevormd wordt. Elk onderdeel zal langzaam aan corroderen. De minst edele metalen eerst gevolgd door de anderen.

Toevoeging van een “opoffering” anode ( zink voor zout water )

Zink is een minder edel metaal en zal daarom sneller vergaan dan onderdelen in een bepaalde brons legering. De anode is bedoeld als cathodische bescherming. Afhankelijk van brak of zoet water gebruikt men ook aluminium of magnesium.
Een motorblok bestaat inwendig uit verschillende metalen die door de aanwezigheid van koelwater een galvanisch element vormen. Een motorblok beschikt over eigen anodes. De zinkanode op de huid biedt geen bescherming voor het motorblok.

Omdat alle metalen onderdelen in de boot NIET met elkaar verbonden zijn, kunnen er andere galvanische cellen ontstaan. Dit is niet gewenst omdat het niet alleen de zinkanode is die corrodeert.

 

Cathodische bescherming

Om tot een eenvormig systeem te komen, dat wil zeggen één meetwaarde van de anode ten opzichte van ALLE ander metalen op de scheepshuis, is het noodzakelijk om alle metalen die met het water in aanraking komen elektrisch te verbinden met elkaar. Zodoende ben je zeker dat de zink anode alle andere metalen zal beschermen. In de Engelstelige literatuur leest men over “BONDING” ,het aan elkaar verbinden van alle metalen tot 1 geheel.

Bonding...

Omdat het niet mogelijk is om aan elk metaal een meer actief metaal te bevestigen dat mag wegslijten, is het gemakkelijker om 1 anode te voorzien die verteerd mag worden.

De zinkanode zal eroderen en op die wijze alle metalen beschermen waarmee ze verbonden is en die in hetzelfde water ondergedompeld zijn.

“Bonding” of het met elkaar verbinden van alle ondergedompelde metalen delen maakt het ondergedompelde metaal als zou het uit 1 stuk metaal zijn dat beschermd dient te worden.
De spanning van dit galvanische element ( uitgedrukt in mV dc ) zal een gemiddelde zijn over alle metalen heen.

Wanneer is er nu een beschermende factor ???
Deze is aanwezig wanneer er een 200 tot 300 mV verhoging is ten opzichte van het vrij eroderen van het metaal gemeten ten opzichte van een referentie electrode Ag/AgCl

200 à 300 mv hogere waarde beschermd het metaal in kwestie

220VAC aan boord 

2 draden

Wisselstroom wordt getransporteerd over 2 draden. Eén draad is de stroomvoerende geleider, de andere is de neutrale draad, ook wel retour genoemd. Deze neutrale geleider is aan de generatorzijde verbonden de met aarde door een ondergrondse aardingsplaat.

Vroeger werd in een woning de neutrale geleider via een aardstaaf met de grond verbonden. De AC aansluiting diende als generator voor de woning.

Deze situatie is gevaarlijk voor elektrocutie wanneer er zich een kortsluiting voordoet en omhulsels van apparaten onder stroom komen te staan

3 draden

In een modern ac netwerk wordt de geel-groene geleider verbonden met de aardstaaf en met de omhulsels van de apparaten. Bij kortsluiting wordt de stroom onmiddellijk naar de aarde afgevoerd. Door invoering van een aardlekschakelaar worden personen beschermd bij kortsluitingen tussen de stroomvoerende geleider, de neutrale geleider en de aarding.

Op de boot

Wanneer een boot een walverbinding maakt met het 220vac netwerk van een marina, dan veronderstellen we dat de neutrale draad en de aardingsdraad verbonden zijn met de aarde door een aardstaaf ergens in de buurt van de aansluiting.

Victron Energy

Net zoals thuis zal een kortsluiting met een behuizing afgevoerd worden via de aarding of geel-groen geleider. We zijn dus goed beschermd.
Op de boot is de geel-groene geleider verbonden met de negatieve pool van het 12vdc netwerk en met de zinkanodes die zich in het water bevinden.
Het is absoluut noodzakelijk voor de veiligheid dat deze verbinding 100% in orde is. In het andere geval zou een kortsluiting op het 220vac netwerk zich propageren over het 12vdc netwerk met een mogelijke elektrocutie tot gevolg voor personen aan boord, MAAR OOK voor zwemmers in de buurt van de boot.

Deze geel-groene geleider, verbonden met het water, kan nu bijdragen aan de galvanische corrosie op de boot zelfs indien de AC installatie naar behoren is uitgevoerd en werkt. 

Scenario: Twee boten naast elkaar in een marina.

Beide boten zijn verbonden met de walstroom én hun AC installatie is in orde met de geel-groene geleider verbonden met de negatieve pool van het DC netwerk.

Probleemstelling:

Onder water is één boot uitgerust met beschermende zinkanodes terwijl de andere boot geen anodes meer heeft.


Gevolg:

We beschikken nu over een grote batterij, inderdaad de zinkanodes van de ene boot vormen de ene pool en de bronzen schroefaslagering van de ander boot vormt de tweede pool van de batterij. Het water waarin beide boten drijven in het elektrolyt.
Van zodra beide boten een 220VAC walaansluiting realiseren, vloeit er een zwerfstroom van anode naar kathode, van de ene boot naar de andere boot. De zinkanodes gaan zichzelf opofferen en later ook andere minder edele metalen zoals bootfittingen.


Oplossing:


Een galvanische scheiding van de geel-groene geleider dringt zich op om corrosie tegen te gaan en toch nog voor personenbeveiliging in te staan.

Scenario: Slechte verbinding motorblok met gemeenschappelijk aardingspunt.

Een veelgebruikte connectie is deze van het motorblok naar de negatieve pool van de batterij.
Nochtans is deze methode niet de beste. Stel het volgende …

Stel dat de verbinding tussen het motorblok en de negatieve pool van de batterij van slechte kwaliteit is. De negatieve pool van de batterij is verbonden met het gemeenschappelijk aardingspunt van de boot wat op zijn beurt verbonden is middels een aardverbindingskabel die alle metalen onderdelen van de boot met elkaar verbind zoals metalen omhulsels van apparaten, stag, schroefas,ankelwinch,boegschroef…enz. ( belangrijk ) Er zit veel weerstand op deze motor naar gemeenschappelijk aardingspunt wegens de slechte verbinding. ( Meten is weten )

Dus in de plaats van de stroom terug te geleiden naar negatieve pool van de batterij, zal de stroom een weg terug vinden naar de batterij via de schroefas door het water en terug in de boot via cascodoorvoeren en de aardverbindingskabel naar de negatieve pool van de batterij.

Het resultaat zijn zwerfstromen door het water met corrosie als gevolg. Controleer jaarlijks de zinkanode van de motor!

 

Corrosie vermijden: deel 1

Laat ons de geel-groene geleider afkoppelen van de negatieve pool van het DC circuit !

Op het eerste gezicht is dit een kostprijs vriendelijk oplossing. Personenbeveiliging op het AC circuit is nog steeds in orde.
Zwerfstromen kunnen het water niet meer bereiken en dus zal er geen corrosie optreden.

In feite creëren we een uiterst gevaarlijke situatie door dit te doen.

  1. We veronderstellen een fout in het AC netwerk die zich kan propageren in het DC negatief netwerk, bijvoorbeeld door een defecte batterijlader.
    Omdat beide netwerken gescheiden zijn, zal het DC negatief netwerk de overspanning niet terug kunnen voeren via de geel-groene geleider maar zal deze langs de anodes en het water willen afvoeren. De weg langs het water zal de aardlekschakelaar van de walverbinding niet doen springen waardoor het volledige DC netwerk onder hoge spanning komt te staan en zwemmers kunnen geëlektrocuteerd worden.
  2. Een bliksembeveiliging voorziet er in dat het AC aardcircuit is verbonden met DC negatief zodat beide op hetzelfde volt potentiaal staan. Men doet dit om te vermijden dat gevaarlijke spanningen kunnen opgebouwd worden in een van beide circuits. En dus moeten beide verbonden zijn.
  3. Andere niet voorzienbare situaties kunnen eruit bestaan dat AC apparatuur een verbinding maakt met het DC netwerk. Bijvoorbeeld generators, air conditioning, batterijladers, frigoschuiven, waterverwarmers….. Corrosie zal nog steeds plaatsvinden terwijl de booteigenaar zich daar niet van bewust is. Hij heeft de AC aarding met DC negatief immers verbroken.

De geel-groene geleider van het AC netwerk moet dus STEEDS verbonden zijn met de negatieve pool van het DC netwerk.