Korrozia_i_zaschita_metallov-2015_1

Таблица 4.4

Результаты измерений и расчетов

В выводах дают заключение об оптимальной плотности тока, рекоC мендуемой для защиты данной стали внешним током от коррозии в данном электролите. Обсуждают вопрос эффективности данного вида электрохиC мической защиты.

Р А Б О Т А 5. Исследование катодной защиты металлических

конструкций с помощью протекторов

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь. Основы протекторной защиты

Борьба с коррозией металлических конструкций при помощи протекC торов C наиболее старый и вместе с тем наиболее простой метод электроC химической защиты. Механизм работы протекторной защиты представлен на рис. 4.1,б.

60

Источником поляризующего тока является гальваническая пара: заC щищаемая конструкция – протектор. На поверхности протектора протекает реакция окисления (ионизация материала протектора), а на поверхности конструкции C реакция восстановления окислителя. Ток, протекающий между протектором и конструкцией, вызывает катодную поляризацию поC следней до величины защитного потенциала (ЕЗ).

Катодную протекторную, защиту широко применяют как дополнительное (к изолирующему покрытию), а также самостоятельное средство защиты металлических конструкций в морской воде, грунте и других нейтральных коррозионных средах. В кислых средах вследствие небольшой катодной поляризуемости защищаемых металлов (сплавов) и большого самораствоC рения материала протекторов применение протекторной защиты ограничеC но.

Преимущества протекторной защиты:

• независимость от источника тока;

• простота монтажа;

• возможность применения для локальной защиты (например, в меC стах повышенной коррозионной опасности);

• ничтожное влияние на соседние незащищенные конструкции;

• более рациональное использование защитного тока по сравнению с катодной защитой внешним током.

Недостатки протекторной защиты:

• безвозвратная потеря материала анода и необходимость периодичеC ской замены отработавших протекторов;

• загрязнение окружающей среды продуктами разрушения протектоC ра;

• ограничение области использования протекторов удельным элекC трическим сопротивлением среды и сравнительно небольшим заC щитным током.

Особые требования, предъявляются к материалу протектора. ПаC раметрами, определяющими практическую пригодность материала протекC тора, являются:

• достаточно электроотрицательный стационарный потенциал протектора в данной коррозионной среде;

• равномерность анодного растворения;

• минимальная анодная поляризуемость;

61

• незначительное саморастворение;

• высокая практическая токоотдача.

Практическая токоотдача (ПТ) (практический выход тока) – это средняя сила тока, получаемая при защите конструкции с единицы массы материала протектора:

где ПТ C практическая токоотдача, (А·ч / г); kэП C практический электрохиC мический эквивалент материала протектора, г / (А·ч); IП C средняя сила тоC ка протекторной защиты, А; τ C время работы протектора, ч; 9mП убыль массы протектора, г.

Теоретическая токоотдача (TT) рассчитывается по закону Фарадея:

где ТТ C теоретическая токоотдача протектора,(А· ч)/г;

kэТ C теоретический электрохимический эквивалент материала протектора, г / (А·ч); n C заряд ионов материала протектора, переходящих в электролит; 26.8 C постоянная Фарадея, А·ч; АМе C атомная масса металла протектора, г/моль (Приложение 3).

Расхождение между теоретической и практической токоотдачей обуC словлено, главным образом, саморастворением (коррозией) материала проC тектора. Таким образом, убыль массы протектора складывается из полезC ных потерь, связанных с генерацией защитного тока в цепи гальваничеC ской пары «протектор – защищаемый металл (сплав)», и непроизвольных потерь массы, вызванных саморастворением анодного протектора вследC ствие коррозии его поверхности. Поэтому ПТ < ТТ.

Отношение величины практической токоотдачи к величине теоретиC ческой, выраженное в процентах, называется коэффициентом полезного

Время, в течение которого протектор даёт поляризующий ток, называC ется сроком службы протектора (τП) и определяется по формуле:

τП = (mП·КПД) / IП, (5.4) где τП – срок службы протектора, ч; mП – масса протектора, г.

62

Перечисленные параметры зависят прежде всего от природы материаC ла протектора, от его формы и размеров, а так же от электрического сопроC тивления окружающей среды.

В качестве материалов протекторов используют обычно сплавы на осC нове цинка, магния, алюминия. Их наиболее часто применяющиеся компоC зиции приведены в табл. 5.1. Жесткие требования предъявляются к чистоC те сплавов. Это обусловлено тем, что при незначительном превышении соC держания примесей токоотдача и срок службы магниевых и алюминиевых протекторов уменьшается соответственно в 2 и 1,5 раза, а протекторы из цинковых сплавов покрываются пассивной пленкой и прекращают рабоC

тать. Таблица 5.1

Химический состав анодов, применяемых для протекторной защиты от коррозии

Рабочие и физикоCхимические характеристики протекторных сплавов приC ведены в табл. 5.2.

Благодаря достаточно электроотрицательному стационарному потенC циалу протекторы из магниевых сплавов используют для защиты алюмиC ниевых сплавов и для создания защиты металлоконструкций в морской и пресной воде с большим радиусом действия. Кроме того, магниевые проC текторы используются, при защите объектов в грунтах с большим удельC ным электрическим сопротивлением. (≤ I00 Ом·м). Недостатком протек% торов из магниевых сплавов являются: малый КПД и возможность исC крения при ударах. Таблица 5.2

Физико%химические и рабочие характеристики протекторных сплавов

63

Алюминиевые сплавы отличаются высокой токоотдачей и значиC тельно большим, чем у магниевых протекторов КПД, поэтому являются

идеальным протекторным материалом для защиты стальных металлоC конструкций в морской воде и грунте.

Протекторы из цинковых сплавов значительно уступают магниевым и алюминиевым сплавам по токоотдаче, а, следовательно, и по сроку службы однотипных электродов. Однако, благодаря достаточно высокому КПД и небольшой стоимости, они широко используются для защиты стальных объектов в морской воде и в грунте, удельное электрическое сопротивление которого не превышает 20 Ом·м.

Срок службы протектора определяется его формой и размерами.

С ростом поверхности увеличивается К.П.Д.. протектора, а правильная форма обеспечивает равномерное растворение и определяется конструкC тивными особенностями защищаемого объекта. Поэтому в каждом конC кретном случае применяемые протекторы имеют свои размеры и опредеC ленную форму. Протекторы монтируются либо по отдельности, либо групC пами. Обычно протекторы размещают сравнительно близко от защищаеC мого объекта с целью уменьшения сопротивления электрической цепи. В водных средах протекторы монтируют либо на защищаемой поверхности (с изолирующей прокладкой), либо на опорах на определенном расстоянии от металлоконструкций, что благоприятно сказывается на распределении потенциала.

В грунтах протекторы устанавливаются в таких местах, где почва имеет минимальное удельное электрическое сопротивление. Расстояние между ними и защищаемой конструкцией обычно составляет 3C4 м, глубиC на их размещения 2C4 м от поверхности грунта. При этом протекторы обычно погружают в наполнители (активаторы), представляющие собой смесь мелкозернистой глины (бентонит) с неорганическими солями (гипс,

64

сульфат магния, сульфат и хлорид натрия, гидроксид кальция и др.).

Наполнители применяются с целью:

• поддержания соответствующей влажности около протектора и уменьшения сопротивления растеканию тока протектора;

• стабилизации силы поляризующего тока во времени;

• равномерного растворения протектора;

• предотвращения образования на поверхности анода слоя продуктов коррозии, имеющих низкую электропроводимость.

Использование наполнителей значительно улучшает КПД протекторов.

П р а к т и ч е с к а я ч а с т ь. Изучение работы протектора и оценка эффективности протекторной защиты

Цель работы: оценка эффективности протекторной защиты стали от коррозии в нейтральном электролите и определение количественных покаC зателей работы протектора.

Исследуется коррозия незащищенного стального образца, образца, защищенного протектором (цинк или протекторный сплав цинка: ЦП1, ЦП2), и протектора в одной из сред:

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 экспериментальной установки представлена на рис. 5.1.

Перед опытом два пластинчатых стальных образца (1) (площадью поC верхности 150C200 см2) и протектор 2 (площадью 15C20 см2) зачищают наждачной бумагой, промывают водой, протирают фильтровальной бумаC гой или ватой, смоченными ацетоном, просушивают 5C10 минут на воздухе и взвешивают на технических, а затем на аналитических весах. Далее обC разцы и протектор обезжиривают, протирая кашицей либо из смеси Са(ОН)2 и СаСО3 в соотношении 1:1, либо из MgO.

65

Рис. 5.1. Схема установки для исследования протекторной защиты стали: где I – рабоC чая ячейка; II – коммутаторное устройство; 1 – стальные образцы; 2 – протектор; 3 – раствор электролита; 4 – электрод сравнения (хлоридCсеребряный); 5 – капсула для электрода сравнения с капилляром Луггина; 6 – ванночка из винипласта; 7 – крышка; 8

– переключатель измерительной цепи; 9 – тумблер для включения защитной цепи; 10 – цифровой миллиамперметр; 11 – цифровой вольтметр

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.

После сборки рабочую ячейку I, цифровые миллиамперметр 10 и вольтметр 11 подключают к клеммам коммутаторного устройства. При этом тумблер 9 обязательно должен находиться в положении «выкл» (заC щитная цепь разомкнута).

Исследование начинают с измерения установившихся электродных потенциалов стальных образцов и протектора, которые поочередно подC ключают к измерительной цепи с помощью переключателя 8.

Измеренные значения электродных потенциалов записывают в табл. 5.4. Затем замыкают защитную цепь тумблером 9, одновременно фиксируя максимальное показание миллиампер метра 10 в момент вклюC чения защиты (τ = 0) и время начала опыта. Опыт ведут 1,5÷2 часа, измеC ряя и записывая через каждые 5C10 минут значение силы тока в цепи и чеC

66

рез 10C15 минут – значения электродных потенциалов образцов и протекC тора.

По окончании эксперимента протектор и стальные электроды извлеC кают из раствора, измеряют геометрические размеры рабочей (соприкаC савшейся с электролитом) поверхности S, удаляют с поверхности продукC ты коррозии, тщательно промывая и протирая образцы фильтровальной бумагой и мягкой резинкой. После этого образцы споласкивают дистиллиC рованной водой, протирают фильтровальной бумагой или ватой, смоченC ной ацетоном; просушивают 5C10 минут на воздухе и взвешивают.

Обработка экспериментальных данных

Результаты измерений и расчетов записывают в таблицы 5.3C5.5. Значения электродного потенциала металла по водородной шкале (Ех) расC считывают по уравнению (2.20):

Ех = Еизм + Еэс,,

где Еизм – потенциал металла относительно используемого электрода сравC нения, В; Еэс – потенциал электрода сравнения, В.

Величину Еэс для хлоридсеребряного электрода сравнения при данной температуре определяют по уравнению (2.21):

Еэс = 0,201 – 2,5·10C4(t – 20)

По экспериментальным данным (табл. 5.4) строят графики изменения во времени силы тока и электродных потенциалов стальных образцов и протектора (по водородной шкале).

Рассчитывают эффективность действия защиты Z, коэффициент заC щитного действия К3, практическую и теоретическую токоотдачу ПТ, ТТ, коэффициент полезного действия анодного протектора (КПД).

При построении графиков используют общую временную координа% ту (τ) для всех кривых и общую координату «потенциал» для зависимоC стей Е = ƒ(τ).

67

Таблица 5.3

Результаты измерений и расчетов

Электролит: ………………………Протектор:………………..ρп___________ г/см3)

Температура:………………………Сталь (марка):……………………………..

Результаты измерений и расчётов

Коэффициент защитного действия К3 и эффективность действия Z

68

При этом величины удельной убыли м ассы (w”0, w”1) рассчитываются по

скорости коррозии образцов (υ0, υ) – по уравнению (1.3)

υ= К−m = S mτ ,

аплотности поляризующего тока i определяют по формуле (1.6)

i= IП / S .

В этих формулах 9µ C удельная убыль массы образца, г/м2; wm – убыль массы, г; К−m C отрицательный показатель изменения массы, г/м2 ч,

i – плотность поляризующего тока, А/м2; τ – время испытания, ч; S – геометрическая площадь рабочей поверхности, м2;

IП – средняя сила тока протекторной защиты (А) находится как среднеC арифметическое результатов измерения через 10 минут после начала опыC та, т.е. начиная с третьего замера.

Практическую ПТ и теоретическую ТТ токоотдачу протектора вычисC ляют по уравнениям (5.1) и (5.2).

Для оценки КПД и срока службы протектора τП используют уравнеC ния (5.3) и (5.4).

В выводах поясняют характер полученных графических зависимоC стей и дают оценку эффективности защиты стали от коррозии в исследоC ванном электролите с помощью данного анодного протектора, оценивают стабильность работы протектора во времени.

69