Судовые протекторы: что это и как выбрать

Что такое протекторы: термин и синонимы

В отечественной судостроительной практике протекторами называют расходуемые аноды, а защиту с их помощью — протекторной. Слово буквально означает «защитник»: анод принимает коррозию на себя. В технической литературе тот же элемент называют гальваническим анодом; встречается и калька с английского — «жертвенный анод». Сплав обычно указывают в названии: цинковый, алюминиевый или магниевый протектор.

Протекторы не следует путать с анодами систем катодной защиты наложенным током (ICCP): те питаются от внешнего источника и не расходуются. Речь здесь идёт о судовых и морских протекторах, а не о протекторе шин.

Как работает протекторная защита и чем она отличается от ICCP

Если два разных металла электрически соединены и находятся в электролите, например в морской воде, растворяется металл с более отрицательным потенциалом, а второй оказывается защищён. Потенциал цинковых, алюминиевых и магниевых сплавов отрицательнее потенциала стали, поэтому коррозия идёт на аноде, а сталь становится катодом этой гальванической пары, то есть получает катодную защиту.

Критерий защиты углеродистой стали в аэрированной морской воде — потенциал −0,80 В или отрицательнее относительно хлорсеребряного электрода сравнения (Ag/AgCl/морская вода). Чистые металлы для этого подходят плохо: чистый алюминий пассивируется под оксидной плёнкой, а чистый магний слишком быстро растворяется сам по себе, поэтому аноды отливают из сплавов. Работая, протектор постепенно расходуется; ту же защиту дают системы ICCP, в которых нерасходуемые аноды питаются от выпрямителя.

Из чего делают протекторы: цинк, алюминий и магний

Аноды отливают из сплавов трёх семейств: цинковых (Zn-Al-Cd), алюминиевых (Al-Zn-In) и магниевых (Mg-Al-Zn или Mg-Mn). Выбор определяют солёность воды, температура и допустимая масса.

Цинковые протекторы дают в морской воде стабильный и предсказуемый защитный ток. Предел энергии падения 275 Дж, действующий на танкерах для алюминия, к цинку не относится, а в донных отложениях и закрытых отсеках с высокой бактериальной активностью цинк, по DNV, может быть надёжнее алюминия.

Алюминиевые протекторы дают наибольшую токоотдачу на килограмм: по расчётным значениям на то же количество ампер-часов нужно примерно в 2,6 раза меньше массы, чем цинка. В открытом море алюминий обычно предпочтителен, работает он и в солоноватой воде. Алюминиевый анод того же размера весит около 39 % цинкового; по нашему расчёту с расчётными значениями DNV заряд на единицу объёма у них почти одинаков, так что главный выигрыш — в массе.

Магниевые протекторы имеют самое высокое рабочее напряжение. По ABS из-за высокой электропроводности морской воды это приводит к перезащите и очень быстрому расходу, поэтому магний применяют только в пресной воде.

Цинковый анод от алюминиевого отличают по массе и маркировке: DNV требует наносить на каждый анод название или знак изготовителя, букву материала («A» — алюминий, «Z» — цинк), номер плавки и серийный номер.

Какой протектор нужен для морской, солоноватой и пресной воды

• Морская вода: алюминиевый или цинковый протектор. Volvo Penta рекомендует алюминий, а если его нет — цинк.
• Солоноватая вода и устья рек: алюминиевый протектор, поскольку цинк в солоноватой воде может пассивироваться.
• Пресная вода (реки, озёра): магниевый протектор. Цинк и алюминий в пресной воде покрываются беловатой оксидной коркой и перестают работать.
• Горячие контуры: стандартный цинк применяют не выше 50 °C; токоотдача алюминия падает с 2500 А·ч/кг при 25 °C до 500 А·ч/кг при 80 °C.

Для судов, которые ходят между морем и устьями рек, алюминий — самый универсальный вариант. По ABS на алюминиевых корпусах морских судов магний не применяют; на небольших алюминиевых лодках в пресной воде его ставят по рекомендации изготовителя лодки или мотора.

Где устанавливают протекторы на судне и лодке

ISO 20313 охватывает катодную защиту корпуса, балластных танков, руля, гребного винта, валов, подруливающих устройств, кингстонных ящиков и водозаборов. Основные места установки протекторов и правила руководства ABS:

• Корпус: протекторы распределяют по подводной части равномерно — много небольших анодов защищают эффективнее всего. В средней части судна на скуле шаг между ними — не более 6–8 м, а в водах с низким удельным сопротивлением и в тропиках — около 5 м; для судов ледового плавания в арктических водах его сокращают ещё больше. При наличии скуловых килей аноды предпочтительно крепят поочерёдно к их верхней и нижней поверхности. В районе якоря их не ставят, а крепят вплотную к обшивке, чтобы снизить сопротивление движению.
• Гребной винт, вал и руль: в зоне 0,4D–1,1D перед гребным винтом (D — диаметр винта) аноды не ставят, руль защищают с обеих сторон. Вращающийся гребной вал изолирован от корпуса масляной плёнкой в подшипниках, поэтому винт соединяют с корпусом устройством заземления гребного вала или защищают цинковым хомутовым анодом на валу.
• Кингстонные ящики: протектор снаружи защищает отверстие изнутри лишь на глубину 1–2 его диаметров, поэтому внутри ящика устанавливают собственные протекторы.
• Носовые и кормовые подруливающие устройства: протекторы ставят как можно ближе к защищаемым зонам, а в туннеле крепят сваркой, а не болтами.
• Балластные танки: вместо одного крупного — несколько небольших протекторов, преимущественно в нижней части танка; аноды работают только там, где вода присутствует не менее половины времени. Магний в балластных танках не допускается, а на танкерах для алюминиевых анодов в танках, смежных с грузовыми, действует предел энергии падения 275 Дж.
• Конденсаторы и теплообменники: на стороне забортной воды — цинк или алюминий, на пресноводной стороне — магний.
• Порт и шельф: сваи причалов, пирсы, палы, шпунтовые стенки, понтоны (ISO 13174) и стационарные платформы. По DNV на шельфе обычно предпочитают гальванические аноды: такая система проста, надёжна и не требует питания.

Если в эксплуатации судно будет защищено протекторами, их устанавливают до спуска на воду.

Как крепят протекторы: приварные и болтовые аноды

Протектор отливают на закладной (сердечнике) из менее активного металла, например стали; она сохраняет прочность крепления и электрический контакт до конца срока службы. Приваривают не сам анод, а эту закладную.

• Приварной протектор: закладную приваривают к корпусу или конструкции танка, дополнительный кабель не нужен. На тонких листах используют дублирующий лист, выступающий на 20 мм по контуру.
• Болтовой протектор: DNV-RP-B401 требует для каждого анода, закреплённого не сваркой, кабель электрической непрерывности сечением не менее 16 мм²; сопротивление между ними не должно превышать 0,1 Ом.
• Подключение кабелем: если анод соединяют с конструкцией проводом, ABS требует несколько многопроволочных кабелей сечением не менее 10 мм². Пристреливаемые шпильки не допускаются.
• Хомутовые, дисковые и полусферические протекторы: на лодках их ставят на вал, руль и транец. Анод на валу не должен нарушать балансировку вала и ограничивать поток воды к подшипникам кронштейна.
• Для нестандартных мест изделие можно отлить в форме, изготовленной по чертежу и размерам: аноды нестандартных размеров и литьё на заказ.

При любом способе крепления низкоомный электрический контакт между анодом и конструкцией должен сохраняться весь срок службы. Стандарты описывают сварку, болты и кабельное подключение; клеевое крепление среди них не упоминается.

Протекторы не окрашивают: краска изолирует анод и прекращает защиту. При окраске корпуса их закрывают, а попавшую на них краску удаляют; покрытие допускается только на тыльной стороне анодов, устанавливаемых вплотную к обшивке.

Когда менять протекторы: осмотр и срок службы

По руководству ABS протектор меняют, когда он израсходован примерно на 50 % или больше; Volvo Penta также советует замену, когда анод уменьшился до половины исходного размера. На судах решение принимают при доковании: если остатка не хватит до следующего докования, протекторы обновляют.

Срок службы протектора нельзя выразить одним числом лет: он зависит от массы анода, токоотдачи сплава и тока, который потребляет конструкция. В расчёте учитывают лишь долю массы, равную коэффициенту использования (по DNV — 0,80–0,90 в зависимости от формы анода); дальше токоотдача становится непредсказуемой. При замене ставят тот же сплав, так как система рассчитана на конкретный материал.

• Протектор не срабатывается: сплав не подходит для воды и пассивировался, нарушен электрический контакт, анод окрашен или в сплаве избыток примесей — железа, меди. Тогда разрушаться начинает следующий по активности металл, соединённый с системой.
• Протекторы срабатываются неравномерно: при равном сопротивлении первым расходуется самый лёгкий анод, при равной массе — тот, у которого сопротивление меньше. DNV требует, чтобы отношение тока к массе у анодов одной конструкции различалось не более чем на 50 %.
• Анод расходуется слишком быстро: магний в солёной воде срабатывается очень быстро, а у алюминия расход растёт с 3,5 кг/(А·год) при 25 °C до 17,5 кг/(А·год) при 80 °C.

Сколько нужно протекторов: расчёт массы

Сначала определяют ток, необходимый для защиты конструкции, затем — массу протекторов, которая обеспечит этот ток на весь расчётный срок. DNV-RP-B401 и ABS используют одну и ту же формулу; для судна расчётный срок — интервал между докованиями.

• Потребный ток: I = A × i × f, где A — защищаемая площадь (м²), i — расчётная плотность тока для неокрашенной стали (А/м²), f — коэффициент разрушения покрытия; его среднее значение f = a + b × t/2.
• Масса анодов нетто: M = I × t × 8760 / (u × ε), где t — расчётный срок (лет), 8760 — число часов в году, u — коэффициент использования, ε — токоотдача сплава (А·ч/кг).

Пример для иллюстрации (не проектный расчёт): вода 12–20 °C, глубина 0–30 м, 1000 м² окрашенной стали, средняя плотность тока 0,080 А/м², покрытие категории II, срок 5 лет. f = 0,05 + 0,025 × 5/2 = 0,1125; I = 1000 × 0,080 × 0,1125 = 9,0 А. Для длинных протекторов, установленных вплотную к конструкции (u = 0,85), масса нетто алюминия — 9,0 × 5 × 8760 / (0,85 × 2000) ≈ 232 кг, цинка — ≈ 595 кг. Этот метод DNV предназначен для стационарных морских сооружений; корпуса судов рассчитывают по ABS или ISO 20313.

Расчёт для вашего проекта можем выполнить мы: пришлите через форму обратной связи тип судна, площадь смоченной поверхности или танков, данные о покрытии, интервал докования и тип воды — подготовим расчёт катодной защиты, схему размещения анодов и прогноз срока службы.

От чего зависит цена протекторов

Единой цены на протекторы нет. На стоимость влияют:

• Сплав: цена металла и состав сплава у цинка, алюминия и магния разные.
• Масса и размеры: алюминиевый протектор того же размера весит около 39 % цинкового, поэтому сравнивайте не только цену за килограмм, но и стоимость в пересчёте на ампер-час.
• Тип и крепление: приварной, болтовой, хомутовый или дисковый анод; стальная закладная и необходимость отдельной формы.
• Количество: объём заказа и размер партии.
• Документы: требуемое типовое одобрение классификационного общества, протокол анализа плавки и объём испытаний. DNV-RP-B401 предусматривает электрохимические испытания качества для заказов свыше 15 000 кг.

Чтобы узнать актуальную цену, пришлите перечень размеров, количество и данные судна или лодки — подготовим коммерческое предложение.

Производство и поставки Detay: литейный цех в Тузле

Detay Group работает с 2006 года и производит в Тузле (Стамбул) аноды и литые изделия. Цинковые и алюминиевые аноды мы отливаем на собственном литейном производстве, и каждая отлитая у нас партия отгружается с протоколом химического анализа; магниевые аноды мы поставляем.

• Цинковые протекторы: типовые одобрения LR и CCS; приварные и болтовые — для корпуса, кингстонных ящиков, балластных танков, носовых и кормовых подруливающих устройств.
• Алюминиевые протекторы: сплав с типовым одобрением LR — для балластных танков, корпуса, морских платформ, причальных и портовых свай.
• Магниевые протекторы (поставка): модели для корпуса, хомутовые для вала, дисковые и полусферические — для судов и контуров, работающих в пресной воде.
• Аноды нестандартных размеров: формы по чертежу и размерам — от единичных деталей до серий.
• Поставка анодов марок Polcor и MARPO; расчёт катодной защиты, схема размещения анодов и прогноз срока службы.

Типовое одобрение подтверждает, что представительный образец соответствует критериям проекта, но не заменяет обычных проверок и освидетельствований, поэтому важен протокол анализа партии. Системы ICCP, MGPS и заземление гребного вала смотрите в разделе продукции.