OPBOUW KB-INSTALLATIES

Praktische uitvoering KB-systemen

Het meest elementaire KB-systeem bestaat uit de volgende componenten:

  • Een anode-systeem op of in het beton aangebracht voor de stroomtoevoer aan het beton.
  • Een kathode-systeem (alle met elkaar doorverbonden te beschermen wapening).
  • Referentie elektroden (RE's) voor de effectiviteitscontrole van het systeem.
  • Een voeding (constante spannings-/constante stroombron) voor het leveren van de beschermstroom.
  • Bekabeling voor het verbinden van de componenten onderling.
Al naar gelang de behoefte of de omvang van het systeem, kan dit worden uitgebreid met automatische meet-/regelsystemen voor gegevens registratie en sturing van de voedingen.

Kathodische beschermingssystemen moeten voldoen aan de Europese norm NEN-EN-ISO 12696(en). Deze norm stelt niet alleen eisen aan het ontwerp en de te gebruiken componenten en materialen, doch geeft ook richtlijnen voor het inbedrijfstellen, onderhouden en controleren van KB-systemen.  

Het Anode-systeem

Het ontwerp en de keuze van een anodesysteem wordt bepaald door de volgende factoren:

  • De te verwachten stroomdichtheid in relatie tot de aanwezige wapeningscorrosie.
  • De oppervlakte lay-out van het te beschermen constructiedeel.
  • De expositie ten opzichte van de omgeving.

Titanium anodes in de vorm van netten, strips en boor-anodes zijn geschikt voor ruwe omgevingscondities of daar waar hoge stroomdichtheden (kunnen) worden verwacht. Deze anodes worden meestal ingebed in het beton en hebben een verwachte levensduur van minimaal 75 jaar. Voor kunstwerken met vreemde ongelijkmatige vormen en rondingen zijn anodes bestaande uit koolstofnetten of conductive primer zeer geschikt. Een anode bestaande uit conductive primer kenmerkt zich door de eenvoud van applicatie, het wordt als een meerlagen verfsysteem aangebracht en heeft een levensduur van minimaal 12 jaar.

Het Kathode-systeem

Alle onderling doorverbonden wapening en stalen delen in het beton vormen tezamen het kathode-systeem. Stalen delen die zich in het anodische gebied bevinden (gelegen tussen de anode en het kathode-systeem) gedragen zich anodisch en zullen versneld in oplossing gaan. Zij dienen te worden verwijderd, alsnog met de kathode te worden doorverbonden of elektrisch te worden geïsoleerd ten opzichte van het beton. Indien dit niet mogelijk is wordt in de praktijk aan afstand van minimaal 10cm aangehouden tussen de stalen delen en het anode-systeem.Voorbeelden van losse stalen delen zijn binddraad en losse stekeinden in het beton.

Referentie elektroden

De primaire functie van referentie elektroden is het meten van de effectiviteit van de KB-installatie. Een KB-installatie moet conform de NEN EN-ISO 12696(en) voldoen aan het zogenaamde 100mV criterium. Dit betekent dat gemeten over een tijdsbestek van 4-24 uur de gemiddelde depolarisatie van alle elektroden tenminste 100mV moet bedragen met een bovengrens van 250mV. Afhankelijk van de gemeten depolarisatie kan de voeding hoger of lager worden ingesteld.

Er wordt onderscheid gemaakt in:

  • Decay probes; referentie elektroden uitsluitend geschikt voor het meten van potentiaalverschillen (depolarisatie metingen) over een tijdsbestek van maximaal 24 uur.
  • True potential referentie elektroden; elektroden waarvan het potentiaal rechtstreeks is te herleiden tot laboratorium standaarden. Het potentiaal van deze elektroden kan herleid via een standaard(ASTM) reeks een indicatie geven van de kans dat wapeningscorrosie aanwezig is op de meetlocatie.

Decay probes zijn over langere tijd gezien niet stabiel. Zij kunnen afhankelijk van het type bijvoorbeeld gevoelig zijn voor temperatuurwisselingen, het chloride gehalte in het beton en polarisatie als gevolg van stroomdoorgang. Bij metingen over maximaal 24 uur is de invloed hiervan gering indien zij worden toegepast voor het meten van potentiaalverschillen (deay-meting). Aan de absolute waarde van het gemeten potentiaal van een decay probe mag geen waarde worden toegekend.  
Voorbeelden van decay probes zijn referentie elektroden op basis van titanium en koolstof. Het grote voordeel van deze elektroden is dat zij relatief goedkoop zijn, gemakkelijk zijn te produceren en een zeer hoge levensduur hebben (als voorbeeld titanium, 75 jaar). De meeste KB-installaties bevatten om deze redenen overwegend decay probes waarbij er veelal meer worden geplaatst dan strikt voorgeschreven volgens de norm NEN-EN-ISO 12696(en). Er is vrijwel altijd een zekere mate van reserve aanwezig mocht een der elektroden falen.

True potential referentie elektroden zijn vrijwel ongevoelig voor omgevingsfactoren en daardoor stabiel over langere tijd. Ook deze elektroden zijn uitermate geschikt voor deay metingen, met name indien deze plaats vinden over langere perioden dan bijvoorbeeld 24 uur. De norm NEN-EN-ISO 12696(en) stelt als eis dat indien over langere tijd decay metingen plaatsvinden, hiervoor true potential elektroden worden gebruikt. Voorbeelden van true potential elektroden zijn de ERE-20 (MnO2) mangaandioxide elektrode, de Calomel (CSE) elektrode en diverse elektroden op basis van zilverchloriden (Ag/AgCl). Hun levensduur is circa 25 jaar.

Voedingen

Voor kathodische bescherming zijn voedingen toepasbaar op basis van een constante spanningsbron (U) of op basis van een constante stroombron (I). Beide hebben hun voor- en nadelen. De norm NEN-EN-ISO 12696(en) stelt naast veiligheidseisen waaraan een voeding moet voldoen tevens eisen ten aanzien van de toepasbaarheid van de voeding voor kathodische bescherming.

Constante spanningsbron

Een voeding op basis van een constante spanningbron heeft de volgende kenmerken:

  • Een constante spannningsbron levert een vaste constante (instelbare) uitgangsspanning, onafhankelijk van het stroomverbruik.
  • De spanning op het anode-systeem is (mits goed ontworpen) overal gelijk en constant.
  • De uitgangsstroom is afhankelijk van de belasting (polarisatie-weerstand) in het circuit.
  • Spanningsverliezen over de bekabeling en het anode-systeem worden veelal automatisch gecompenseerd. Hierdoor is de gewenste ingestelde waarde tevens de werkelijke spanning op het anode-systeem.
  • De voeding is beveiligd tegen overspanning, kortsluiting, te hoge uitgangsstromen en interne gebreken.

Het grote voordeel van deze voedingen is de constante spanning over het anode-systeem (de NEN-EN-ISO 12696(en) stelt hier eisen aan) en het stroomverbruik “naar behoefte” op elke locatie onder de anode. De stroom verdeelt zich min of meer volgens de elektrische weerstand. In de praktijk betekent dat dat nattere plekken meer stroom (per eenheid van oppervlak) krijgen dan drogere delen. Dit correspondeert ongeveer met de plekken waar de corrosie (zonder KB) het sterkste zou zijn, en waar dus de meeste beschermstroom nodig is. Zo’n systeem is dus min of meer zelfregulerend (als functie van plaats cq. corrosie).  Door veranderingen in vochtbelasting als functie van tijd (bv. per seizoen) is er ook een veranderende behoefte aan stroom. Als gevolg van dit regelmechanisme ontvangen locaties met plaatselijk hoge wapeningscorrosie automatisch meer stroom onafhankelijk van andere locaties. Hot-spots in het KB-systeem, locaties met locaal zeer hoog stroomverbruik beïnvloeden (mits geen volledige kortsluiting) het overige systeem niet of nauwelijks. Deze voeding is  bij uitstek geschikt voor de kathodische bescherming van beton.

Constante stroombron 

Een voeding op basis van een constante stroombron heeft de volgende kenmerken:

  • Een constante stroombron leverte een vaste (instelbare) uitgangsstroom, onafhankelijk van de aangesloten belastingsweerstand
  • De stroom die het anode-systeem wordt ingestuurd is (mits goed ontworpen) constant.
  • De uitgangsspanning wordt bepaald door de belastingsweerstand (polarisatie-weerstand) in het circuit.
  • Spanningsverliezen over de bekabeling en het anode-systeem kunnen niet worden gecompenseerd. Dit type voeding is ontworpen om een hogere belastingsweerstand te compenseren met een hogere uitgangsspanning teneinde de ingestelde stroom constant te houden.
  • De voeding is beveiligd tegen overspanning, kortsluiting, te hoge uitgangsstromen en interne gebreken.

Deze voeding is zeer geschikt om over grote afstanden wapeningsstaal kathodisch te beschermen indien de hoeveelheid wapeningsstaal en dus de gewenste stroomdichtheid bekend is. De gewenste stroomdichtheid is dan de in te stellen parameter!
Hot-spots in het KB-systeem, locaties met locaal zeer hoog stroomverbruik hebben tot gevolg dat vrijwel alle stroom in deze richting vloeit en andere delen van het anode-systeem te weinig stroom ontvangen en er sprake is van “onder” bescherming.
Een snel oplopende polarisatieweerstand kan vooral tijdens het opstarten van een installatie, al snel een te hoge spanning op de anode tot gevolg hebben. De grote spanningsvariaties op het anodesysteem als gevolg van het regelmechanisme van de voeding en het niet kunnen compenseren van kabelverliezen, maken dat dit type voeding voor de kathodische bescherming van beton vrijwel niet binnen de norm NEN-EN-ISO 12696(en) kan functioneren. Voedingen op basis van een constante stroombron zijn voor de kathodische bescherming van beton niet geschikt.

In het algemeen worden voor de kathodische bescherming van beton speciaal ontworpen (dedicated) voedingen gebruikt, enerzijds vanwege de hoge veiligheidseisen, anderzijds doordat er weinig voedingen op de markt zijn die instelbaar zijn in het bereik 0-10Vdc.

Bekabeling

Alle elektrische componenten van het KB-systeem worden met kabels onderling doorverbonden. De norm NEN-EN-ISO 12696(en) stelt eisen aan:

  • Het type kabel wat wordt toegepast in verband met de mechanische sterkte.
  • De diameter van de aders afhankelijk van de functie van de kabel, een stroomvoerende kabel heeft een veel grotere diameter dan bijvoorbeeld de kabel van een referentie elektrode.
  • De kleur en of cijfercodering van de aders afhankelijk van hun functie.
  • De doorslagspanning van de kabel in verband met de elektrische veiligheid.

Daarnaast worden eisen gesteld aan kabeldozen (junction boxes) en schakelkasten. Voor buiten opstelling dienen zij een afdichtingsgraad tegen vuil en stof te hebben van minimaal IP66.

Schakelkasten

Voor eenvoudig onderhoud en om redenen van toegankelijkheid wordt de bekabeling van KB-systemen veelal centraal naar een schakelkast gevoerd. In deze kast bevinden zich de onderlinge verbindingen en de voeding van het systeem. Indien aanwezig bevinden ook geavanceerde controle- en regelsystemen zich in deze centrale schakelkast.

Een nieuwe ontwikkeling is het toepassen van bus-systemen. Hierbij bevinden de voedingen en sensor aansluitingen zich locaal in het veld, terwijl de schakelkast uitsluitend een controller unit bevat. Deze stuurt de voedingen digitaal aan via een buskabel, terwijl gegevens registratie van sensoren eveneens digitaal plaatsvindt. De voordelen bij de bouw en het ontwerp van een installatie zijn:

  • Het volledig ontbreken van veldbekabeling, snelle montage
  • De afstand tussen de onderlinge componenten is vrijwel onbeperkt (kilometers)
  • Vrijwel onbeperkt uitbreidbaar qua zones

De laatste ontwikkeling zijn zelf regulerende bussystemen. Hierbij melden componenten in het veld zich automatisch aan het systeem. Er behoeft alleen te worden aangegeven welk component tot welk KB-systeem behoort (zone indeling).