Эффективность защиты стали с анодным покрытиемот коррозии

Металлические покрытия наносят  различными способами. Наиболее часто  применяется горячий метод, гальванизация  и металлизация.

При горячем методе изделие  погружают в расплавленный металл, который смачивает его поверхность  и покрывает тонким слоем. Затем  изделие вынимают из ванны и охлаждают. Таким методом изделие покрывают  слоем олова или цинка. Лужение  применяют при изготовлении белой  жести, при устройстве покрытий на внутренних поверхностях пищевых котлов и других изделий. Цинкованием предохраняют от коррозии, например, кровельное железо, водопроводные трубы.

При гальваническом способе  металлические изделия помещают в гальваническую ванну. Под действием  электрического тока на поверхности  изделия происходит катодное осаждение  пленки защитного металла. Толщину  гальванического покрытия можно  регулировать в широких пределах.

Покрытия получают также  распылением расплавленного металла  с помощью специальных металлизационных пистолетов и напылением на его поверхность защищаемого металла. Этот вид защиты используют для крупногабаритных конструкций: ж./д мостов и т. д. В качестве защитного металла используют алюминий, цинк, хром, коррозионно-стойкие стали.

Неметаллические покрытия выполняются  из лаков, красок, эмалей и др. веществ  и изолируют изделие от воздействия  внешней среды. Эти покрытия имеют  преимущество перед металлическими. Они легко наносятся на изделие, хорошо закрывают поры, не изменяют свойств металла и являются относительно дешевыми. При хранении и перевозке изделий металлические изделия покрывают специальными смазочными материалами, минеральными маслами и жирами. Для защиты изделий, работающих в высокоагрессивных средах, применяют пластмассовые покрытия из винипласта, поливинилхлорида.

Химические покрытия - защитные оксидные иные пленки - создаются при  воздействии на металл сильных химических реагентов. Широко применяются также  оксидирование и фосфатирование металлоизделий.

Оксидирование заключается  в создании на поверхности изделия  оксидной пленки, обладающей большой  коррозийной стойкостью. Наиболее широко применяют оксидирование для защиты от коррозии изделий из алюминия и его сплавов.

Фосфатирование стальных изделий заключается в создании поверхностного слоя из фосфатов марганца и железа. Фосфатные покрытия используются в дальнейшем в качестве подслоя. Фосфатные покрытия часто применяются в сочетании со смазочными материалами для уменьшения трения при обработке металлов давлением, волочением, для хорошей приработки трущихся деталей машин.

В отдельных случаях прибегают  к защите металлов от коррозии при  помощи протекторов. Сущность протекторной защиты заключается в том, что  к поверхности защищаемого изделия  прикрепляют протекторы - куски металла. Образуется гальваническая пара , в которой анод- протектор, катод- изделие. В результате протектор разрушается, защищая изделие. Таким образом, защищают, например, подводные металлические части кораблей, прикрепляя к ним пластины цинка.[6]

3. Анодная  защита

Многие металлы находятся  в пассивном состоянии в некоторых  агрессивных средах. Хром, никель, титан, цирконий легко переходят в пассивное  состояние и устойчиво его  сохраняют. Часто легирование металла, менее склонного к пассивации, металлом, пассивирующем легче, приводит к образованию достаточно хорошо пассивирующихся сплавов. Примером могут служить разновидности сплавов Fe­Cr, представляющие собой различные нержавеющие и кислотоупорные стали, стойкие, например, в пресной воде, атмосфере, азотной кислоте и т.д. Для практического использования пассивности нужно такое сочетание свойств металла и среды, при котором последняя обеспечивает значение стационарного потенциала, лежащего в области . Подобное использование пассивности в технике защиты от коррозии известно давно и имеет огромное практическое значение.

Но в последнее время  возникло новое направление защиты металлов в таких окислителях, которые  сами по себе не способны вызывать пассивность. Известно, что смещение потенциала активного металла в отрицательную  сторону должно уменьшить скорость коррозии. Если потенциал становится отрицательнее равновесного в данной среде, то скорость коррозии должна стать  равной нулю (катодная защита, применение протекторов). Очевидно, что подобным же образом, но за счет анодной поляризации  от внешнего источника электрической  энергии можно перевести способный  к  этому металл в пассивное  состояние и тем уменьшить  скорость коррозии на несколько порядков. Расход электрической энергии не должен быть велик, так как сила тока в области  вообще весьма мала.

Существуют требования, которым  должна удовлетворять система, чтобы  к ней можно было применить  анодную защиту. Прежде всего, нужно  надежно знать анодную поляризационную  кривую для выбранного металла в  данной агрессивной среде. Чем выше , тем большая сила тока потребуется для перевода металла в пассивное состояние; чем меньше , тем меньший расход энергии потребуется для поддержания пассивности; чем шире диапазон , тем большие колебания потенциала можно допустить, т.е. тем легче поддерживать металл в пассивном состоянии. Нужна уверенность в том, что в области металл корродирует равномерно. В противном случае, даже при малой величине , возможно образование язв и сквозного разъедания стенки изделия. Форма защищаемой поверхности может быть довольно сложной, что затрудняет поддержание одинакового значения потенциала на всей поверхности; в этом отношении большая величина особенно желательна. Конечно, требуется и достаточно хорошая электропроводность среды.

 Применение анодной защиты целесообразно  в сильно агрессивных средах, например в химической промышленности. При наличие поверхности раздела жидкость-газ необходимо иметь в виду, что анодная защита не может распространяться на поверхность металла в газовой среде, что впрочем, типично и для катодной зашиты. Если газовая фаза тоже агрессивна или имеется неспокойная поверхность раздела, что приводит к разбрызгиванию жидкости и оседанию капель ее на металл выше поверхности раздела, если происходит периодическое смачивание стенки изделия в определенной зоне, то приходится ставить вопрос об иных способах защиты поверхности выше постоянного уровня жидкости.[7]

Анодная защита может осуществляться несколькими способами.

1. Простое наложение постоянной  э.д.с. от постороннего источника электрической энергии. Положительный полюс подключается к защищаемому изделию, а около его поверхности помещают катоды сравнительно малого размера. Они размещаются в таком количестве и на таком расстоянии от защищаемой поверхности, чтобы обеспечить по возможности равномерную анодную поляризацию изделия. Этот способ применяется в том случае, если достаточно велик и нет опасности, при некоторой неизбежной неравномерности распределения потенциала анода, активации или перепассивации, т.е. выхода за пределы .

Таким способом можно защищать изделия из титана или циркония в  серной кислоте. Нужно только помнить, что для пассивации сначала потребуется  пропускание тока большей силы, что  связано с переводом потенциала за . Для начального периода целесообразно иметь дополнительный источник энергии. Следует учитывать также большую поляризацию катодов, плотность тока на которых велика вследствие их малых размеров. Однако, если область пассивного состояния велика, то изменение потенциала катода даже на несколько десятых вольта не представляет опасности.

Периодическое включение  и выключение тока защиты, когда изделие уже запассивировано. При включении анодного тока потенциал изделия смещается в отрицательную сторону, причем может произойти депассивация. Но поскольку иногда  это происходит довольно медленно, простая автоматика может обеспечить включение и выключение защитного тока в нужное время. Когда потенциал дойдет до величины , т.е. до начала перепассивации, ток выключается; когда потенциал сдвинется в отрицательную сторону до (начало активации), ток снова включается. Смещение потенциала в катодную сторону происходит тем медленнее, чем меньше . Чем ближе был потенциал к величине , тем медленнее он смещается в отрицательную сторону (в направлении ) при выключении тока. Например, для хрома в 0,1н. растворе H₂SO₄ при 75⁰ С, если выключение тока произошло при =0,35 в, активация наступит через 2 ч; выключение тока при =0,6 в вызывает активацию через 5 ч; выключение же при =1,05в увеличивает срок начала активации более чем до 127 ч. Столь большое время, необходимое для депассивации, позволяет делать значительные перерывы в подаче тока. Тогда одной и той же установкой можно обслужить несколько объектов.

Зависимость времени запассивации от потенциала включения легко объяснима при помощи концепции фазового окисла (образуется более толстый слой окисла, растворение которого требует больше времени). Труднее объяснить это явление десорбцией пассивирующего кислорода. Конечно, с ростом положительного значения потенциала прочность связи в адсорбционном слое должна увеличиваться. Но при включении тока разряд двойного слоя происходит сравнительно быстро, хотя адсорбционный слой, возможно, сохраняется долго.

3. Если область пассивного  состояния ( ) мала, то необходимо применение потенциостата, поддерживающего заданную величину потенциала (относительно некоторого электрода сравнения) в узких границах. Потенциостат должен быть способен давать большую силу тока.

В настоящее время уже  имеется ряд установок для  анодной защиты, осуществленных в  промышленном масштабе. Защищаются изделия  и из обычной углеродистой стали. При анодной защите не только увеличивается  срок службы аппаратуры, но также уменьшается  загрязнение агрессивной среды  продуктами коррозии. Например, в олеуме углеродистая сталь корродирует очень медленно и в этом смысле не нуждается в защите. Но в сосудах для хранения этого продукта происходит загрязнение его железом. Так, без анодной защиты в одной из промышленных установок содержание железа в олеуме составляло ≈ 0,12 %. После наложения защиты концентрация железа снизилась до ≈ 0,004 %, что соответствует его содержанию в исходном продукте. Загрязнение продуктов химической промышленности примесями соединений металлов, являющееся следствием коррозии аппаратуры, во многих случаях весьма нежелательно и даже недопустимо.

Однако, использование анодной защиты связано со значительными трудностями. В то время как катодная защита может употребляться для защиты многих металлов, погруженных в любую электропроводящую среду, например твердую или жидкую, анодная защита применяется только для защиты целых секций химических установок, которые изготовлены из металла, способного пассивироваться в рабочей среде. Именно это и ограничивает ее применение. Кроме того, анодная защита потенциально опасна, поскольку при перерывах подачи тока без немедленного восстановления защиты на рассматриваемом участке начнется очень быстрое растворение, так как разрыв в пленке образует путь с низким сопротивлением в условиях анодной поляризации металла.

Использование анодной защиты требует тщательного проектирования химической установки. Последняя должна иметь такую систему контроля, чтобы любая потеря защиты немедленно привлекала внимание оператора. Для  этого может быть достаточным  только локальное повышение анодного тока, однако в наихудшем случае может потребоваться немедленное  опорожнение всей установки.

Анодная защита не обеспечивает стойкости в присутствии агрессивных  ионов. Так, хлоридные ионы разрушают  пассивную пленку, а потому их концентрация должна поддерживаться низкой, за исключением  защиты титана, который может пассивироваться в хлористоводородной кислоте. В условиях анодной защиты имеет место хорошая рассеивающая способность электролитов и поэтому для поддержания ее установленной защиты требуется сравнительно небольшое количество электродов. Однако при проектировании установок анодной защиты следует учитывать, что в условиях, предшествующих пассивации, рассеивающая способность хуже.

Анодная защита потребляет очень мало энергии и может  применяться для защиты обычных  конструкционных металлов, способных  пассивироваться, например углеродистой и нержавеющей стали, во многих средах. Эта защита легко подвергается контролю и измерениям и не требует дорогостоящей обработки поверхности металла, так как использует самопроизвольный эффект реакции между стенками емкостей и их содержимым. Способ изящен, и его применение, по-видимому, будет расширяться, как только будут преодолены сложности измерения и контроля.[8]

1.3.1 Явление пассивности.

Давно известно, что скорость коррозии многих металлов часто значительно  меньше в растворах сильных окислителей, чем в растворах окислителей  более слабых. Сюда относятся такие  металлы, как железо, хром, никель, титан, цирконий, алюминий и многие другие. Резкое уменьшение скорости коррозии (на несколько порядков) в сильных  окислителях, казалось бы противоречащее термодинамическим свойствам металла и окислителя, называется пассивацией, а состояние металла – пассивным.

Некоторые металлы находятся в  пассивном (или близком к пассивному) состоянии даже в таких слабых окислителях, как вода. Это дает возможность практически использовать в качестве конструкционных материалов магний, титан, алюминий и многие другие.

М.В. Ломоносов был, по-видимому, первым исследователем, обратившим внимание на пассивность железа в концентрированной  азотной кислоте. Железу посвящены  наблюдения М. Фарадея и Х. Шенбейна. М. Фарадей сделал удивительную  по научной дальновидности попытку объяснить пассивность железа образованием на поверхности слоя (пленки) окисла или же существованием поверхностных атомов металла в таком состоянии, которое равноценно окислению.

Очень большое практическое значение пассивности, часто определяющее возможность получения сплавов, химически стойких в агрессивных  средах, вызвало огромное количество исследований, посвященных изучению пассивного состояния. Если отбросить  некоторые несущественные различия, высказываемые на основании сопоставления  экспериментальных данных, сказав, что пассивное состояние обусловлено  образованием очень тонкой пленки окисла, представляющего собой отдельную  фазу, или слоя хемисорбированного кислорода, а может быть и других частиц. Ограничимся представлением о некотором кислородном «барьере», образующемся на поверхности металла в подходящем окислителе и сильно тормозящем анодный процесс.