Гальванический анод и способ защиты от коррозии

Гальванический анод и способ защиты от коррозии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки создания изобретения

Коррозия является естественно происходящим явлением, обычно определяемым как повреждение вещества (обычно металла) или ухудшение его свойств как результата реакции с окружающей его средой. Подобно другим природным опасным факторам, таким как землетрясение или сильные погодные возмущения, коррозия может привести к опасному и дорогостоящему повреждению всего, от транспортных средств и бытовой техники до систем канализации, трубопроводов, мостов, дорог и общественных зданий. Однако в отличие от связанных с погодой опасных факторов, имеются проверенные временем способы предотвращения и управления коррозией, которые могут уменьшить или устранить ее воздействие на общественную безопасность, экономику и окружающую среду.

Субсидированное в 2001 году Федеральным управлением автомобильных дорог США (U.S. Federal Highway Administration) исследование потерь от коррозии "Corrosion Costs and Preventive Strategies in the United States" (Потери от коррозии и превентивные стратегии в Соединенных Штатах) определило прямые готовые потери от коррозии равными потрясающей сумме в 276 миллиардов долларов США. Исследование охватило большое число секторов экономики, включая транспортную инфраструктуру, электроэнергетику, перевозки и хранение.

Косвенные потери от коррозии были умеренно оценены равными прямым потерям, давая суммарные прямые и косвенные потери в более чем 600 миллиардов долларов США или в 6 процентов валового внутреннего продукта. Эти потери следует рассматривать как умеренную оценку, ввиду того, что в исследовании были использованы только хорошо документированные потери. В дополнение к причинению сильных повреждений и угроз общественной безопасности, коррозия нарушает работу и требует дорогостоящего ремонта и замены неисправного оборудования.

Федеральное управление автомобильных дорог США оценивает 200000 мостов, или один из каждых трех мостов в США, как конструктивно дефектные или функционально устаревшие. Кроме того, более чем четверть всех мостов имеют возраст более 50 лет, то есть среднего расчетного срока службы моста. Инфраструктура дорог и мостов в Соединенных Штатах разрушается, с тысячами мостов, оцененных как ненадежные и требующие замены или капитального ремонта. Во многих из этих случаев коррозия играет важную роль в снижении надежности. Меры по защите от коррозии могут помочь минимизировать или избежать дальнейших проблем. Предпринимаются шаги для решения проблем стареющей инфраструктуры Америки. Например, House bill H.R. 1682 "Bridge Life Extension Act 2009," (законопроект H.R. 1682 «Закон об увеличении срока службы мостов 2009 г.»), внесенный в марте 2009 года, будет требовать штаты представить план предотвращения и уменьшения повреждений, вызванных коррозией, при запросе федеральных средств на строительство нового моста или ремонт существующего моста.

Многие конструкции из армированного бетона страдают от преждевременного разрушения. Заделанная в бетон стальная арматура первоначально защищена от коррозии в результате образования стабильной оксидной пленки на ее поверхности. Эта пленка, или пассивирующий слой, образуется в результате химической реакции между высокощелочной водой в порах бетона и сталью. Пассивность, обеспеченная щелочными условиями, может быть разрушена в результате присутствия хлорида. Хлорид-ионы локально депассивируют металл и ускоряют активное растворение металла. Коррозия стали обычно незначительна до тех пор, пока хлорид-ионы не достигают концентрации, при которой начинается коррозия. Пороговая концентрация зависит от нескольких факторов, включая, например, микроокружение стали, pH раствора в порах, помехи от других ионов в растворе в порах, электрический потенциал армирующей стали, концентрацию кислорода и подвижность ионов. Хлорид действует как катализатор в том отношении, что он не расходуется в реакции коррозии, а остается активным, чтобы снова принять участие в реакции коррозии.

Повреждение конструкций из армированного бетона в первую очередь вызвано проникновением хлорид-ионов через бетон к области, окружающей стальную арматуру. Имеются несколько источников хлоридов, включая добавки к бетонной смеси, такие как содержащие хлорид ускоряющие добавки. Хлорид может также присутствовать в окружающей конструкцию среде, такой как морская среда или антиобледенительные соли. Присутствие хлорида не оказывает прямое отрицательное влияние на сам бетон, однако ускоряет коррозию стальной арматуры. Продукты коррозии, которые образуются на стальной арматуре, занимают больше места, чем стальная арматура, инициируя воздействие давления на бетон изнутри. Это внутреннее давление образуется со временем и, в конечном счете, приводит к растрескиванию и расслаиванию бетона. Коррозия стальной арматуры также снижает прочность армирующей стали и уменьшает нагрузочную способность бетонной конструкции.

На скорость коррозии стали, кроме хлорид-иона, оказывают влияние другие факторы, включая pH, наличие кислорода и электрический потенциал стали, а также удельное сопротивление окружающего бетона. Эти факторы взаимодействуют друг с другом, так что ограничение одного из них не обязательно предотвращает коррозию, и уровни одного из них, достигающие порогового уровня, суммируются с другими, делая возможной коррозию. Например, даже при высоком уровне хлорида, если имеется недостаточно кислорода, коррозия не произойдет. По мере снижения pH пороговое содержание хлорида для коррозии становится более низким. В бетоне с очень высоким удельным сопротивлением не только карбонизация и проникновение хлорида являются медленными, но и реакция коррозии замедляется вследствие увеличенной трудности движения ионов. Температура также принимает участие в коррозионной активности, как и в любой другой химической реакции.

Катодная защита стальной арматуры в бетоне является общепринятым способом обеспечения коррозионной защиты металла, особенно когда хлорид-ионы присутствуют в бетоне в значительных концентрациях. Катодная защита включает в себя образование электрической цепи с армирующей сталью, действующей как катод, который электрически соединен с анодом. Если имеется достаточно большая разность потенциалов, то коррозия катода уменьшается или предотвращается.

Известно создание разности потенциалов между анодом и катодом как посредством катодной защиты подаваемым током, так и посредством гальванической ячейки. Катодная защита подаваемым током включает в себя использование анода и подаваемого электрического тока с использованием внешнего источника постоянного тока или источника переменного тока и выпрямителя. Источник питания создает проблемы в отношении надежности и затрат, связанных с постоянным расходом энергии, наблюдением, управлением и требованиями к техническому обслуживанию.

Управление током для систем катодной защиты подаваемым током является серьезной проблемой. Количество поставляемой энергии для катодной защиты подаваемым током или с постоянным током или с постоянным напряжением изменяется с изменением температуры, содержания влаги, воздействия хлорида и pH и должно регулироваться в разных зонах для предотвращения избыточной защиты (водородное охрупчивание, образование кислоты и т.п.) или недостаточной защиты (коррозия).

Катодная защита может быть также обеспечена посредством гальванической ячейки, в которой потенциал возникает как результат использования разных материалов, образующих расходуемый анод и катод. Расходуемая катодная защита происходит, когда металл соединен с более химически активным, или более анодным, металлом. Анод состоит из расходуемого металла, который может обеспечить защитный ток без использования источника питания, поскольку реакции, которые имеют место при его использовании, являются термодинамически предпочтительными. Недостатки систем с расходуемым анодом включают в себя ограниченный доступный защитный ток и ограниченный срок службы. Расходуемые аноды подвергаются непрерывной коррозии или расходу гальванического металла и обычно требуют замены в некоторый момент времени в зависимости от степени коррозии.

Поскольку коррозия армированных сталью бетонных конструкций представляет опасность для человеческой жизни и требует очень много средств для ремонта, то тем, что требуется, являются улучшенные системы и способы для удовлетворения потребностей в реализации новых антикоррозионных технологий и защите инфраструктуры для будущих поколений.

Краткое описание фигур

Фиг. 1 является видом в разрезе иллюстративного варианта осуществления системы гальванической катодной защиты.

Фиг. 2 показывает ремонтный участок в конструкции из армированного бетона с заделанным в него иллюстративным вариантом осуществления расходуемого анода.

Фиг. 3А является видом в перспективе иллюстративного варианта осуществления гальванического анода.

Фиг. 3Б является видом в разобранном состоянии иллюстративного варианта осуществления гальванического анода.

Фиг. 4А является видом в перспективе иллюстративного варианта осуществления гальванического анода.

Фиг. 4Б является видом в перспективе иллюстративного варианта осуществления гальванического анода.

Фиг. 5 является графиком, показывающим разницу между результатами измерений потенциала в подключенном состоянии и потенциала в момент отключения для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей незащищенный цинковый расходуемый анод.

Фиг. 6 является графиком, показывающим разницу между результатами измерений потенциала в подключенном состоянии и потенциала в момент отключения для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей защищенный цинковый расходуемый анод.

Фиг. 7 является графиком, показывающим разницу между потенциалом в подключенном состоянии и потенциалом в момент отключения для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей незащищенный гибридный цинко-магниевый расходуемый анод.

Фиг. 8 является графиком, показывающим разницу между потенциалом в подключенном состоянии и потенциалом в момент отключения для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей защищенный гибридный цинко-магниевый расходуемый анод.

Фиг. 9 является графиком, показывающим разницу между потенциалом подключенного и неподключенного анода для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей незащищенный цинковый расходуемый анод.

Фиг. 10 является графиком, показывающим разницу между потенциалом подключенного и неподключенного анода для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей защищенный цинковый расходуемый анод.

Фиг. 11 является графиком, показывающим разницу между измерениями потенциала неподключенного и подключенного анода для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей незащищенный гибридный цинко-магниевый расходуемый анод.

Фиг. 12 является графиком, показывающим разницу между измерениями потенциала неподключенного и подключенного анода для иллюстративной катодно-анодной системы, содержащей защищенный гибридный цинко-магниевый расходуемый анод.

Фиг. 13 является графиком, показывающим сравнение потенциала анода между образцами анодов со сжатой шкалой времени.

Фиг. 14 является графиком, показывающим сравнение токов коррозии для опытных образцов оцениваемых расходуемых анодов.

Фиг. 15 является графиком, показывающим токи коррозии для опытных образцов оцениваемых расходуемых анодов со сжатой шкалой времени.

Следует отметить, что промежутки в графиках отображают деполяризацию - отключение анода и катода для определения степени поляризации и если анодная система возвращается к работе через некоторое время после того, как она была отключена.

Подробное описание

Предлагается гальванический анод, система гальванического анода и способ катодной защиты армирующей стали в армированной сталью бетонной конструкции. Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, предлагаемый в изобретении расходуемый анод содержит по меньшей мере одну винтовую катушку, содержащую расходуемый металл и имеющую продольную ось, по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный с винтовой катушкой и намотанный винтовым образом вокруг по меньшей мере части продольной оси по меньшей мере одной винтовой катушки с обеспечением его соединения с указанной винтовой катушкой во множестве точек, и материал оболочки, окружающий, по меньшей мере, часть по меньшей мере одной винтовой катушки и, факультативно, часть по меньшей мере одного удлиненного электрического проводника.

Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, расходуемый анод содержит (а) по меньшей мере одну винтовую катушку, содержащую расходуемый металл, имеющую продольную ось, и (б) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный с винтовой катушкой, и (в) материал оболочки, окружающий, по меньшей мере, часть винтовой катушки.

Согласно другим вариантам осуществления, расходуемый анод содержит (а) винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и (б) второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь, (в) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный по меньшей мере с одним из первого и второго расходуемых металлов, и (г) материал оболочки, окружающий, по меньшей мере, часть первого и второго расходуемого металла и часть по меньшей мере одного удлиненного электрического проводника, причем часть по меньшей мере одного удлиненного электрического проводника выступает из материала оболочки.

Согласно другим вариантам осуществления, расходуемый анод содержит (а) винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и (б) второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь, (в) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный по меньшей мере с одним из первого и второго расходуемых металлов, и (г) материал оболочки, окружающий, по меньшей мере, часть первого и второго расходуемого металла.

Согласно другим вариантам осуществления система для уменьшения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной конструкции содержит (а) анод, содержащий по меньшей мере одну винтовую катушку, имеющую продольную ось, причем винтовая катушка имеет расходуемый металл более электрохимически активный, чем сталь, (б) по меньшей мере одна винтовая катушка, по меньшей мере, частично покрыта материалом оболочки, и (в) по меньшей мере один электрический проводник, электрически подключающий анод к (г) армирующему стальному элементу.

Согласно другим вариантам осуществления система для уменьшения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной конструкции содержит (а) анод, содержащий по меньшей мере одну винтовую катушку, имеющую продольную ось, винтовая катушка содержит расходуемый металл, более электрохимически активный, чем сталь, (б) по меньшей мере один электрический проводник, электрически соединенный с анодом, (в) по меньшей мере одну винтовую катушку и по меньшей мере один электрический проводник, по меньшей мере, частично покрытый материалом оболочки, и (г) по меньшей мере одну винтовую катушку и по меньшей мере один электрический проводник, электрически подсоединяющий по меньшей мере одну винтовую катушку к армирующему стальному элементу, расположенному в бетонной конструкции.

Согласно другим вариантам осуществления система для уменьшения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной конструкции содержит (а) винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и (б) второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь, (в) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный по меньшей мере с одним из первого и второго расходуемых металлов, и (г) материал оболочки, окружающий, по меньшей мере, часть первого и второго расходуемого металла.

Согласно другим вариантам осуществления система для уменьшения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной конструкции содержит (а) винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и (б) второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь, (в) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный по меньшей мере с одним из первого и второго расходуемых металлов, и (г) материал оболочки, окружающий, по меньшей мере, часть первого и второго расходуемого металла и, по меньшей мере, часть по меньшей мере одного электрического проводника.

Согласно другим иллюстративным вариантам осуществления способ снижения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной конструкции включает в себя электрическое соединение расходуемого анода, содержащего по меньшей мере одну винтовую катушку, имеющую продольную ось, винтовая катушка состоит из расходуемого металла, причем анод, по меньшей мере, частично скрыт в материале оболочки, со стальной арматурой в армированной сталью бетонной конструкции.

Согласно другим иллюстративным вариантам осуществления способ снижения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной включает в себя электрическое соединение расходуемого анода, содержащего (а) винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и (б) второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь, (в) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически соединенный по меньшей мере с одним из первого и второго расходуемых металлов, и (г) материал оболочки окружает, по меньшей мере, часть первого и второго расходуемого металла.

Согласно другим иллюстративным вариантам осуществления способ снижения коррозии стальной арматуры в армированной сталью бетонной конструкции включает в себя электрическое подсоединение расходуемого анода, содержащего (а) винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и имеющую продольную ось, и (б) второй расходуемый металл, причем второй расходуемый металл является менее электрохимически активным, чем первый расходуемый металл, причем первый расходуемый металл и второй расходуемый металл являются более электрохимически активными, чем сталь, (в) по меньшей мере один удлиненный электрический проводник, электрически подключенный к по меньшей мере одному из первого и второго расходуемых металлов, и (г) материал оболочки окружает, по меньшей мере, часть первого и второго расходуемого металла и, по меньшей мере, часть по меньшей мере одного электрического проводника.

Согласно некоторым вариантам осуществления расходуемый анод включает в себя первый и второй расходуемые металлы, причем первый и второй расходуемые металлы являются более электрохимически активными, чем стальная арматура, заделанная в бетонную конструкцию. Первый расходуемый металл является электрохимически более активным по сравнению со вторым расходуемым металлом. Накопление продукта окисления от более электрохимически активного первого металла (если он не поглощается и не является растворимым) может дополнительно улучшить распределение заряда при коррозии второго менее электрохимически активного металла путем дальнейшего изолирования прямого пути проводимости ионного пути от второго металла к стали аналогично изолирующему слою или прокладке. Так, продукты окисления магния могут иметь тенденцию к увеличению общей эффективности изолирующей прокладки. Способные к расширению продукты окисления магния также могут скорее вытесняться в сжимающийся клей изолирующей прокладки между армирующей сталью и анодом, чем создавать расширяющие силы, которые могли бы привести к растрескиванию окружающего ремонтного раствора или бетонной конструкции.

Катодная защита может быть применена к управлению коррозией стали, заделанной в армированную бетонную конструкцию. Система катодной защиты данного раскрытия изобретения работает с образованием разности электролитического потенциала между анодом и стальной арматурой. Эта разность заставляет ток течь через электрическое соединение, а ионы течь через бетон и/или материал оболочки в достаточном количестве, чтобы предотвратить или снизить коррозию стальной арматуры, инициируя тем временем коррозию анода.

Катодная защита предотвращает коррозию стальной арматуры в бетоне путем превращения анодных, или активных, участков на поверхности металла в катодные, или пассивные, участки.

Катодная защита с расходуемым анодом может быть обеспечена посредством гальванической ячейки, в которой потенциал возникает как результат использования разных металлов, образующих расходуемый анод и катод. Анод формируется из расходуемого металла, который корродирует вместо стального материала, не требуя подаваемого тока. Это рассматривается как расходуемая система, поскольку гальванический анод приносится в жертву ради защиты конструкционной стали от коррозии. Расходуемый анод содержит кусок корродируемого или расходуемого металла, электрически соединенного с подлежащей защите металлической поверхностью, который, предпочтительно, расходуется при электролитическом воздействии.

Согласно некоторым вариантам осуществления анодный узел согласно настоящему раскрытию изобретения обеспечивает участки для анодных реакций, которые должны иметь место, вместо армирующей стали. Следовательно, пока гальваническая система находится в эксплуатации, вместо армирующей стали будет разрушаться анод.

Согласно аспектам настоящего раскрытия изобретения, предлагается гальваническая система, в которой анод образован из по меньшей мере одной винтовой катушки, которая имеет продольную ось и состоит из расходуемого металла. Расходуемый металл корродирует вместо стали без обеспечения или использования подаваемого тока. Анод может быть, по меньшей мере, частично покрыт материалом оболочки. Удлиненные металлические проводники электрические соединены с анодом и выступают из материала оболочки для электрического соединения анода с армирующей сталью, которая заделана в бетон.

Настоящее раскрытие изобретения преодолевает недостатки известных встроенных гальванических анодов, которые являются громоздкими и занимают относительно большое пространство при проведении ремонта бетона. В попытке минимизировать требуемое ремонтное пространство в сильно перегруженном армированном сталью бетоне, у многих известных гальванических анодов уменьшают количество расходуемого металла в аноде. Уменьшение количества расходуемого металла уменьшает площадь поверхности расходуемого анода, ограничивая, тем самым, эффективность анода.

Тело анода, содержащее согласно настоящему раскрытию изобретения винтовую катушку из расходуемого металла, удовлетворяет альтернативным целям обеспечения эффективного количества расходуемого металла и поддержания меньшего ремонтного объема путем обеспечения увеличенной площади поверхности. Настоящий гальванический анод, будучи встроенным, занимает минимальный объем в армированной сталью бетонной конструкции, предоставляя максимальную площадь поверхности для защитной коррозии с целью создания высокой гальванической активности и надежного функционирования.

Согласно некоторым вариантам осуществления анода, количество расходуемого металла, присутствующее в данном объеме, может быть увеличено, например, путем уменьшения расстояния между отдельными витками винтовой катушки из расходуемого металла или чередующегося расположения вместе двух или более обмоток. Чередующиеся винтовые катушки могут содержать одинаковый расходуемый металл, например цинк или цинковый сплав. Чередующиеся катушки могут содержать разные расходуемые металлы, например первая винтовая катушка может содержать цинк или его сплавы, а вторая винтовая катушка может содержать магний или его сплавы.

В других иллюстративных вариантах осуществления анода количество расходуемого металла, присутствующее в данном объеме, может быть увеличено, например, путем включения сплошной массы из расходуемого металла внутрь винтовой катушки из расходуемого металла. В одном варианте осуществления сплошной массе расходуемого металла придается подходящий размер, чтобы помещаться внутри или вокруг винтовой катушки или обмоток. Сплошная масса из расходуемого металла имеет длину, которая может быть такой же, как длина винтовой катушки, или может быть слегка короче или слегка длиннее. Согласно некоторым вариантам осуществления сплошная масса из второго расходуемого металла, такого как магний, изогнута вокруг части внешней поверхности винтовой катушки. По мере окисления второго расходуемого металла, продукты окисления могут поглощаться прокладкой, которая расположена между вторым расходуемым металлом и катодом (то есть стальной арматурой). Сплошная масса расходуемого металла имеет ширину, которая слегка меньше, чем внутренний диаметр, или слегка больше, чем внешний диаметр винтовой катушки, чтобы допускать размещение сплошной массы внутри катушки или формование вокруг внешней поверхности части винтовой катушки. Сплошная масса может содержать такой же расходуемый металл, как и винтовая катушка или катушки, или катушка и сплошная масса могут содержать разные расходуемые металлы.

По меньшей мере один удлиненный электрический проводник соединяет анод со стальной арматурой в армированной сталью бетонной конструкции. Удлиненный электрический проводник может быть намотан или навит вокруг части продольной оси анода, обеспечивая множество физических и электрических точек соединения между гальваническим анодом и стальной арматурой. Как пример, но не ограничение, стальная вязальная проволока может быть намотана или навита вокруг винтовой катушки из расходуемого металла и навита вокруг стальной арматуры. Электрический проводник может быть навит вокруг винтовой катушки из расходуемого металла вдоль участка длины винтовой катушки из расходуемого металла. Альтернативно, электрический проводник может быть навит вокруг винтовой катушки из расходуемого металла вдоль всей длины винтовой катушки. Множественные точки электрического контакта обеспечивают надежное соединение, облегчая создание равномерного распределения заряда и предотвращая образование продуктов коррозии между удлиненным электрическим проводником и винтовой катушкой из расходуемого металла.

Известные конфигурации вязальной проволоки включают в себя заливку расходуемого материала вокруг стальной вязальной проволоки и механическое прикрепление расходуемого металла к вязальной проволоке болтами или заклепками. Данные удлиненные электрические проводники могут быть намотаны или навиты вокруг анода, обеспечивая множественные физические и электрические точки соединения между гальваническим анодом и стальной арматурой без использования болтов, заклепок или других механических крепежных элементов. Настоящее раскрытие изобретения преодолевает недостатки известных способов прикрепления с помощью вязальной проволоки путем обеспечения, например, легко создаваемого надежного многоточечного прикрепления.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления предлагается система гальванического анода, в которой анод образован по меньшей мере из двух расходуемых металлов, которые корродируют относительно стали, без подачи или использования подаваемого тока. Анод может содержать первую винтовую катушку и вторую винтовую катушку. В некоторых вариантах осуществления удлиненные металлические проводники могут быть подсоединены к аноду и выступать из материала оболочки для электрического соединения анода с армирующей сталью, заделанной в бетон.

В других иллюстративных вариантах осуществления предлагается узел или анод двойного действия, в котором более электрохимически активный расходуемый металл может установить высокую начальную активность для создания щелочной, свободной от хлорида окружающей среды вблизи присоединенной армирующей стали. За этой начальной стадией высокой активности может следовать расход или пассивация первого более электрохимически активного металла.

В одном варианте осуществления первый расходуемый металл может быть присоединен ко второму, менее электрохимически активному расходуемому металлу. Первый, более активный расходуемый металл может обеспечивать начальный более высокий ток для инициирования анодной реакции. Второй, менее электрохимически активный расходуемый металл, может обеспечивать достаточный ток для адекватной защиты армирующей стали в течение более длительного периода времени. Анодный узел согласно настоящему раскрытию изобретения может содержать комбинации расходуемых металлов, таких как магний, цинк, алюминий, их сплавы и т.п. Расходуемый металл включает в себя создающий электродвижущую силу металл или металлический сплав.

В соответствии с одним вариантом осуществления анодный узел может содержать первую винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл, и вторую винтовую катушку, содержащую второй расходуемый металл. Первая и вторая винтовые катушки могут взаимно перемежаться так, чтобы приблизительно занимать пространство одиночной катушки. Винтовая форма катушки увеличивает площадь поверхности материала анода, увеличивая этим эффективность анода.

В некоторых вариантах осуществления анодный узел может содержать винтовую катушку, содержащую первый расходуемый металл и второй расходуемый металл, представляющий собой сплошную массу, например кусок металла, шайбу, цилиндр, проволоку, стержень, диск или полосу. Первая винтовая катушка из расходуемого металла может быть намотана вокруг второго расходуемого металла так, что первый расходуемый металл, по меньшей мере, частично окружает второй расходуемый металл. Например, цинковая винтовая катушка может быть намотана вокруг магниевой полосы или цинковой проволоки. Один или несколько удлиненных электрических проводников могут быть намотаны или навиты вокруг расходуемых металлов.

В одном варианте осуществления первый расходуемый металл может быть помещен примыкающим ко второму расходуемому металлу и затем обвит удлиненным стальным электрическим соединительным элементом. Например, цинковая винтовая катушка может быть расположена примыкающей к магниевой полосе и в контакте с ней. Один или несколько удлиненных электрических соединительных элементов могут быть намотаны или навиты в электрическом контакте с винтовой катушкой или магниевой полосой.

В другом варианте осуществления первый расходуемый металл может включать в себя магний. Магний быстро реагирует, инициируя начальную интенсивность поляризации, и создает вокруг стали щелочную окружающую среду. Эта начальная поляризация форсирует диффузию хлорид-ионов от стали. Когда магний израсходован или использован иным образом, второй расходуемый металл, например цинк, работает для поддержания пассивного состояния армирующей стали. Система может достичь преимуществ систем с подаваемым током без сложной электропроводки, батарей или внешних источников питания.

Согласно некоторым аспектам настоящего раскрытия изобретения, площадь поверхности анода является эффективной для выработки достаточного тока для защиты конструкции, и вес анода достаточен для того, чтобы он работал в течение требуемого срока службы при выработке тока. Гальваническая анодная система согласно настоящему раскрытию изобретения является саморегулирующейся на основе начальной коррозионной активности присоединенной соседней стали. Продукты коррозии от первого и/или второго расходуемого металла могут также действовать как образующая электрический или ионный путь прокладка для оптимизации распределения заряда вокруг анода.

Первый расходуемый металл и второй расходуемый металл могут включать в себя создающие электродвижущую силу металлы или сплавы металлов, которые, в свою очередь, могут включать в себя литий, калий, кальций, натрий, магний, алюминий, цинк, хром и их комбинации или сплавы.

Скорость коррозии зависит от температуры, влажности, ионного окружения и проводимости независимо от того, является ли это коррозией армирующей стали или расходуемого анода. Материал расходуемого анода может быть выбран так, чтобы, предпочтительно, корродировать по сравнению со сталью для обеспечения защитного катодного заряда на стали. Когда условия коррозии становятся более благоприятными, скорость коррозии анода увеличивается, обеспечивая пропорционально увеличивающуюся коррозионную защиту для стали. В этой конкурирующей химической реакции предпочтительная реакция может предотвращать протекание второй реакции посредством индуцированного электрического заряда.

Анод может также пассивироваться при работе вследствие усиленной активности, инициирующей осаждение продуктов окисления быстрее, чем, например, механизмы абсорбции, растворения или хелатообразования в материале оболочки могут их отводить. Размещение анода в отдалении от стали может уменьшить интенсивность защитного тока и уменьшить склонность анода к пассивации. Продукты окисления могут осаждаться на поверхности расходуемого металла анода по мере его коррозии. Если эти продукты коррозии не удаляются, они будут предотвращать электрохимическую реакцию путем блокирования потока ионов через электролит, что известно как пассивация анода. Если продукты реакции сделать растворимыми, то анод может продолжать функционировать, как положено. Растворимость продуктов коррозии регулируется материалом оболочки. Материал оболочки предоставляет механизм для удаления продуктов коррозии с поверхности расходуемого металла анода, а также обеспечивает ионный путь для ионов, чтобы течь от стальной арматуры (катода) к корродируемому аноду из расходуемого металла.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления материал оболочки может содержать, например, связующие вещества, геополимеры, строительные растворы и т.п. Без ограничений и только в качестве иллюстрации, материал оболочки может содержать цементирующий строительный раствор. Альтернативно, материал оболочки может содержать сжимающийся строительный раствор с ионной проводимостью, причем матрица является достаточно сжимаемой для поглощения продуктов коррозии анода из расходуемого металла. Материал оболочки может быть из подходящих активируемых химических материалов, например посредством галогенидов, хелатообразования или рН, и быть достаточно пористым, чтобы сделать возможной абсорбцию продуктов коррозии, предотвращая этим или уменьшая пассивирование.

В других вариантах осуществления материал оболочки может включать в себя увлажняющие, разжижающиеся и/или гигроскопичные материалы для поглощения достаточной влаги с целью поддержания проводимости вокруг анода, чтобы гарантировать, что поддерживается достаточный выход тока во время срока службы анода, и поддерживать область контакта между анодом и катодом (стальной арматурой) электрохимически активной.

Согласно некоторым иллюстративным вариантам осуществления, подходящий матери