Korrozia_i_zaschita_metallov-2015_1

металла, а также его ускоренное разрушение вследствие подщелачивания приэлектродного слоя (например, в случае алюминия).

Таблица 4.1

Защитные и минимально допустимые значения потенциалов металлов по водо% родной шкале

Величина защитной плотности тока iЗ определяется рядом фактоC

ров:

• природой металла (сплава);

• наличием и состоянием изоляции или лакокрасочного покрытия на его поверхности (сталь с нанесенным на нее лакокрасочным покрыC тием требует во много раз меньших защитных плотностей тока, причем величина последних уменьшается с ростом качества покрыC тия);

• природой коррозионной среды и ее удельным сопротивлением (в морcкой воде изCза низкого сопротивления требуется более высокие защитные плотности тока, чем в пресной воде и в почве);

• скоростью движения и температурой среды;

• характером катодного процесса коррозии (если коррозия протекает c выделением водорода, то для достижения полной защиты, требуC ется защитный ток во много раз больше тока коррозии, что не

всегда экономически обоснованно изCза выделения большого количества водорода).

Кроме того, плотность защитного тока может меняться в ходе эксплуC атации защищаемого объекта. Так, ухудшение качества изоляционного поC крытия с течением времени ведет к росту iЗ, а образование плотных гидC ратноCкарбонатных (катодных) осадков при катодной защите металличеC ских поверхностей в морской воде способствует уменьшению защитной плотности тока.

50

При выборе оптимальной величины плотности защитного тока исхоC дят из необходимости достижения высокой эффективности действия защиC ты Z при достаточно высоком коэффициенте защитного действия К3. В этом случае обеспечивается значительное уменьшение коррозионных поC терь на каждую единицу защитного тока.

Учитывая, что защитная плотность тока устанавливается с большим трудом, критерий iЗ на практике используется гораздо реже, чем защитный потенциал Ез.

Катодная защита внешним током

Катодная защита внешним током осуществляется с помощью внешнеC го источника постоянного тока, к отрицательному полюсу которого присоC единяется защищаемая конструкция (катод), а к положительному полюсу присоединяется дополнительный электрод (анод) (рис. 4.1,в).

Катодную защиту внешним током широко применяют как дополниC тельное (к изолирующему покрытию), а иногда и как самостоятельное средство защиты от коррозии подземных металлических сооружений (нефC теCгазопроводов, резервуаров), подводных металлических конструкций, корпусов судов, свай, причальных металлических стенок и др.

Широкое распространение получила катодная защита в судостроении и судоремонте при достройке судов наплаву. Она находит применение для предупреждения коррозии заводской аппаратуры: реакторов, котлов, конC денсаторов, холодильников, теплообменников и др.

Преимущества катодной защиты:

• высокая эффективность (почти 100 %);

• возможность защиты больших металлических поверхностей, имеюC щих повреждённую изоляцию или лишенных её в средах с различC ным удельным электрическим сопротивлением;

• возможность регулировки поляризующего тока и поддержание определенного значения потенциала путем изменения напряжения источника тока;

• возможность автоматизации.

Недостатки катодной защиты внешним током:

• очень высокая начальная стоимость самой установки;

• необходимость систематического контроля и проведения профилакC тического ремонта;

51

• возможность вредного (разрушающего) воздействия на соседние неC защищенные металлические конструкции.

Рабочая схема катодной защиты внешним током состоит из двух элекC трических цепей: поляризующей (токовой) и измерительной контролируC ющей (потенциальной) (рис. 4.3).

Основными элементами поляризующей цепи являются: источник поC стоянного тока низкого напряжения 2, защищаемая конструкция I и вспоC могательный анод 3, находящийся в той же самой электролитной среде. Электрический провод 5, соединяющий отрицательный полюс источника тока с конструкцией, называют катодным проводом или катодным вводом, а место его контакта с конструкцией 4 C точкой дренажа. Провод, идущий от положительного полюса источника тока к аноду 6, называется анодным проводом. Сила тока, протекающего в цепи, зависит от напряC жения на клеммах источника тока.

Рис. 4.3. Рабочая схема катодной защиты внешним током

Это напряжение должно обеспечивать преодоление сопротивлений имеюC щихся в цепи:

●сопротивления растеканию тока анода RA;

●эффективного сопротивления конструкции RK;

●сопротивления электрических проводов RЦ;

●сопротивления электролита RЭ.

Для определения величины поляризации конструкции, т.е. эффективC ности защиты, используется контролирующая (измерительная) цепь, соC стоящая из прибора с высоким внутренним сопротивлением 7 для измереC

52

ния потенциала защищаемого объекта относительно электрода сравнения 8

ипотенциального ввода 9 C соединительного провода. Для удобства обC служивания при монтаже установки защиты делаются контрольные вывоC ды важных участков цепей 10.

Рассмотрим кратко составные элементы системы катодной защиты внешним током. Для питания постоянным током защитных установок исC пользуются станции катодной защиты (СКЗ), основой которых является источник постоянного тока.

В качестве источника постоянного тока СКЗ могут служить любые источC ники постоянного тока (батареи аккумуляторов, генераторы и т.д.), имеюC щие необходимую мощность. Однако в настоящее время для этой цели исC пользуются, главным образом, кремниевые выпрямители. Станции катодC ной защиты с кремниевыми выпрямителями питаются переменным током напряжением 220 В или трехфазным током напряжением 380 В.

СКЗ бывают двух типов:

1 C с ручным регулированием напряжения;

2 C с автоматическим поддержанием заданного потенциала.

СКЗ с ручным управлением применяют для защиты объектов, защитный потенциал, которых мало меняется изCза постоянства условий эксплуатации (подземные сооружения, не подвергающиеся действию блуждающих токов, стационарные морские металлоконструкции и др.).

СКЗ автоматические предназначены для систем защиты металлоC конструкций, эксплуатирующихся в условиях изменяющейся агрессивноC сти среды или при изменении характеристик защищаемого объекта. В этом

случае ЕЗ защищаемого объекта может значительно меняться (морские суC да неограниченного района плавания; подземные конструкции, установC ленные в зоне действия блуждающих токов и т.д.).

Автоматические СКЗ позволяют поддерживать величину ЕЗ защищаемого объекта с точностью ± 10 мВ. При этом датчиком системы, регулирующей работу источника тока СКЗ, является электрод сравнения контролирующей цепи (рис. 4.3). На практике широко используются три разновидности электродов сравнения хлоридCсеребряный, цинковый, медноCсульфатный,

иртутноCсульфатный. Техническая характеристика и назначение указанC ных электродов сравнения приведены в табл. 4.2.

Электроды сравнения могут являться постоянными элементами установок катодной защиты внешним током и служить для непрерывных измерений или применяться периодически (переносные элементы).

53

Таблица 4.2

Техническая характеристика некоторых электродов сравнения при 20˚С.

Важную роль в системах катодной защиты внешним током играет анод (анодный узел), так как является вводом поляризующего тока в корC розионную среду. Работа анодов во многом определяет выходные параC метры СКЗ, т.к. на них происходят наибольшие потери мощности системы. Поэтому особое внимание обращается на правильный подбор материала анодов, их форму, размеры и количество, наилучшее расположение отноC сительно защищаемой конструкции, уменьшение сопротивления растекаC нию тока и т.д.

Согласно предъявляемым к материалу анода техническим требованиям

он должен допускать достаточно высокие рабочие плотности тока и иметь при этом маленькую растворимость.

Первое требование вытекает из необходимости иметь аноды с большой зоной защитного действия; второе диктуется потребностью увеличения срока службы анода и необходимостью сокращения непроизводительных потерь металлов.

Для изготовления анодов используются материалы трех типов:

• растворимые (углеродистая сталь, алюминий);

54

• малорастворимые (магнетит (Fe3O4), высококремнистые чугуны, графит);

• практически нерастворимые (платина, сплавы платины, платиниC рованный титан, а также титан, ниобий, тантал, покрытие тонкой пленкой оксидов RuO2, TiO2, IrO2 и др.).

В таблице 4.3. приведены электрохимические характеристики некотоC рых анодных материалов, используемых в практике катодной защиты внешним током.

Таблица 4.3

Электрохимические характеристики некоторых анодных материалов

В зависимости от природы материала электрода состав продуктов анодного процесса различается. При работе растворимых анодов в соотC

ветствии с реакцией (2.1) образуются ионы металла: Ме + mH2O → Men+·mH2O + ne.

При использовании труднорастворимых анодов реакция (2.1) сопроC вождается окислением воды с выделением кислорода (реакция(2.8)):

2Н2О → О2 + 4Н+ + 2е.

Кроме того, при наличии в коррозионной среде ионов хлора возможно их окисление с образованием хлора:

2ClC → Cl2 + 2e. (4.4) При работе нерастворимых анодов на их поверхности идет только

окисление воды (2.1) и ионов хлора (4.4).

Считается, что в установках катодной защиты внешним током целесообразно использовать аноды из малорастворимых и практиче% ски нерастворимых материалов. На эффективность катодной защиты внешним током оказывает влияние расположение анодов. Они

55

устанавливаются по отдельности или группами, что зависит от вида конC струкции, параметров СКЗ, характера среды и т.д. Например, при защите подземных магистральных трубопроводов и кабелей вне городской терриC тории аноды, подключенные к отдельным СКЗ, размещаются на расстояC нии 50 ÷ 400 м от защищаемой конструкции. При защите тех же самых конструкций в зоне большой концентрации других подземных объектов межэлектродное расстояние не превышает нескольких десятков метров. Аноды могут быть также смонтированы непосредственно на защищаемом объекте, например: при катодной защите внешним током подводной части корпуса судна. В каждом случае стремятся к оптимальному для данных условий распределению тока и потенциала на защищаемой поверхности.

При защите подземных сооружений: аноды устанавливают в специC альные засыпки, состоящие из влагоудерживающих и токопроводящих доC бавок. Чаще всего в состав анодных засыпок включается гранулированный кокс, активированный уголь, графит или их смеси; дроблёный магнетит, с добавками гигроскопических солей и др. Засыпка облегчает удаление обC разующихся на электроде газов и понижает сопротивление растеканию тоC ка анода (RА). Кроме того, на поверхности зерна засыпки протекают элекC тродные реакции, благодаря чему увеличивается рабочая поверхность аноC да и уменьшается скорость его разрушения. Возникающие вследствие проC текания тока явления электроосмоса (перенос воды в составе гидратироC ванных оболочек катионов, уходящих от анода) приводят к осушению прианодного участка и повышению его сопротивления, поэтому требуется устанавливать аноды ниже уровня грунтовых вод.

В нормальных условиях глубина установки анодов составляет 3÷5 м, однако в ряде случаев (низкий уровень грунтовых вод, повышенное удельC ное сопротивление верхних слоёв почвы, густая сеть подземных сооружеC ний) аноды укладывают на глубину 15 % 50 м и даже более. Применением такого глубинного заземления достигается:

• более благоприятное распределение тока, а следовательно, и потенC циала на защищаемой поверхности;

• нивелирование влияния сезонных изменений влажности почвы;

• почти полное отсутствие воздействия катодной защиты внешним током на соседние незащищённые металлические конструкции;

• значительно более низкое сопротивление растеканию тока, что позC воляет использовать источник питания меньшей мощности.

56

Основными недостатками глубинного заложения анодов, ограничиC вающими их применение, являются:

• высокая стоимость монтажных работ (бурение скважин);

• затруднённый контроль работы электродов;

• сложность ремонта.

П р а к т и ч е с к а я ч а с т ь. Влияние плотности поляризующего то% ка на катодную защиту металла от коррозии

Цель работы: изучение влияния плотности поляризующего тока на эффективность катодной защиты стали внешним током.

Исследуют коррозию шести образцов углеродистой стали с различC ной рабочей (погруженной в электролит) поверхностью. Геометрическая поверхность незащищенного образца составляет около 200 см2, а защиC щенных: 200, 100, 60, 40 см2. В качестве вспомогательного электрода (аноC да) используют электроды из железоCкремнистых сплавов (ЧС15, ЧС15Д8) или из стали XI8H10T.

Опыт проводят в одном из электролитов: Вариант 1. (0,1÷0,5)M NaCl;

Вариант 2. (0,1÷0,5)М NaCl + (0,01÷0,05)М Н2O2; Вариант 3. (0,1÷0,5)М NaCl + (0,005÷0,1)М FeCl3; Вариант 4. (0,1÷0,5)М Na2SO4;

Вариант 5.: (0,1÷0,5)М Na2SO4 + (0,01÷0,05)М H2O2; Вариант 6.: (0,1÷0,5)М Na2SO4 + (0,005÷0,1)М FeCl3.

Методика эксперимента

Схема установки для исследований приведена на рис. 4.4. Для провеC дения эксперимента два пластинчатых стальных образца 1 (площадью поC верхности 150C200 см2) зачищают наждачной бумагой, промывают водой, протирают фильтровальной бумагой или ватой, смоченной ацетоном, проC сушивают 5C10 минут на воздухе и взвешивают на технических, а затем на аналитических весах. Далее образцы обезжиривают, протирая кашицей лиC бо из смеси Са(ОН)2 и СаСО3 в соотношении 1:1, либо из оксида магния. Обезжиренные образцы тщательно промывают в холодной воде и, во изC бежание окисления и попадания жиров на поверхность металла, до начала эксперимента хранят под слоем дистиллированной воды.

57

Рис. 4.4. Схема установки для исследования катодной защиты сталей от коррозии внешним током : где I – коммутаторное устройство; II – рабочая ячейка (А – без защиC ты: Б – с защитой), 1 – стальные образцы, 2 – вспомогательный электрод, 3 – раствор электролита, 4 – электрод сравнения (хлорсеребряный), 5 – капсула для электрода сравнения, 6 – стакан (фарфор или винипласт), 7 – крышка; 8 – цифровой вольтметр, 9

– цифровой амперметр, 10 – источник постоянного тока, П1 – переключатель измериC тельной цепи, Т1 – тумблер для включения защитной цепи, Т2Cтумблер для включения в защитную цепь амперметра.

Вспомогательные электроды 2 только обезжиривают и промывают сначала водопроводной, а затем дистиллированной водой. Далее собирают рабочие ячейки (ПА, ПБ). Для этого заливают в стаканы 6 нужный элекC тролит 3 и в крышках 7 закрепляют электроды 1 и 2, стараясь, чтобы каC пилляры Луггина 5 были плотно прижаты к стальным образцам. Крышка с закрепленными электродами устанавливается на стаканы. Собранные раC бочие ячейки, источник питания 10, цифровой миллиамперметр 9 и цифроC вой вольтметр 8 подключают к соответствующим клеммам коммутаторноC го устройства I. При этом тумблер Т1 обязательно должен находиться в поC ложении «Выкл.» (защитная цепь разомкнута), а цифровой миллиамперC метр должен быть включен в цепь с помощью тумблера Т2.

58

По окончании сборки рабочих ячеек и их установки включают защиC ту, ставя тумблер T1 в положение «Вкл.» И устанавливают в цепи ток 2÷12 мА, отмечают и записывают время начала опыта. В ходе эксперимента сиC лу тока поддерживают постоянной, используя ручную регулировку режима работы источника питания. Когда значение силы тока сбалансируется во времени, измеряют установившиеся значения потенциалов стальных обC разцов относительно хлоридCсеребряного электрода сравнения. В ходе изC мерений пользуются одним электродом сравнения, перенося его из капсуC лы в капсулу. Рабочие ячейки подключают к измерительной цепи с помоC щью переключателя П1.

Опыт ведут 1,5 – 2 часа. По окончании эксперимента тумблером T1 разрывают поляризующую цепь, выключают источник питания и цифроC вые приборы, электроды извлекают из раствора, измеряют геометрические размеры рабочей (соприкасавшейся с электролитом) поверхности S стальC ных образцов, удаляют с их поверхности продукты коррозия, тщательно промывая и протирая образцы фильтровальной бумагой и мягкой резинкой («стёркой»). После этого образцы споласкивают дистиллированной водой, протирают фильтровальной бумагой или ватой, смоченной ацетоном, проC сушивают 10 минут на воздухе и взвешивают. Вспомогательные электроды промывают и протирают фильтровальной бумагой, а отработанный элек%

тролит сливают в бутыль для отходов.

Обработка экспериментальных данных

Результаты измерений и расчетов записывают в табл. 4.4. Рассчитывают: потенциалы по водородной шкале из уравнений (2.20)÷(2.22) (лабор. работа №2), удельную убыль массы стальных обC разцов по уравнению (4.2а), отрицательные показатели изменения массы металла по уравнению (1.3) ( лабор. работа №1), коэффициенты защитного действия (Кз) и эффективность действия (Z) по уравнениям (4.2) и (4.3), соответственно. Используя общую координату i на одном рисунке строят графики зависимостей: 1)Ех = ƒ(i); 2) Z = ƒ(i); 3) Кз = ƒ(i).

59