Понятие коррозии

Рис. 5. Поляризационная диаграмма коррозионного процесса.

 

Уменьшение скорости анодной реакции  при катодной поляризации эквивалентно уменьшению скорости коррозии. Коэффициент  торможения при выбранном потенциале j^/ (см.рис.4) будет равен двум

= = =2,

а степень  защиты достигает 50%

= = .

Внешний ток  , необходимый для смещения потенциала до значения , представляет собой разницу между катодным и анодным токами

(его  величина на рис.4 выражена прямой ав). По мере увеличения внешнего тока потенциал смещается в более отрицательную сторону, и скорость коррозии должна непрерывно падать. Когда потенциал корродирующего металла достигает равновесного потенциала анодного процесса , скорость коррозии делается равной нулю ( ), коэффициент торможения – бесконечности, а степень защиты 100%. Плотность тока, обеспечивающая полную катодную защиту, называется защитным током . Его величине на рис.4 соответствует отрезок cd. Величина защитного тока не зависит от особенностей протекания данной анодной реакции, в частности от величины сопровождающей ее поляризации, а целиком определяется катодной поляризационной кривой. Так, например, при переходе от водородной деполяризации к кислородной сила защитного тока уменьшается и становится равной предельному диффузному току (отрезок cd ^/  на рис.4).

Защита металла катодной поляризацией применяется для повышения стойкости  металлических сооружений в условиях подземной (почвенной) и морской  коррозии, а также при контакте металлов с агрессивными химическими  средами. Она является экономически оправданной в тех случаях, когда  коррозионная среда обладает достаточной  электропроводностью, и потери напряжения (связанные с протеканием защитного  тока), а следовательно, и расход  электроэнергии сравнительно невелик. Катодная поляризация защищаемого  металла достигается либо наложением тока от внешнего источника (катодная защита), либо созданием макрогальванической  пары с менее благородным металлом (обычно применяются алюминий, магний, цинк и их сплавы). Он играет здесь  роль анода и растворяется со скоростью, достаточной для создания в системе  электрического тока необходимой силы (протекторная защита). Растворимый  анод при протекторной защите часто  называют “жертвенным анодом”.

Катодная защита обычно связана  с защитой черных металлов, так  как из них изготавливается  подавляющая  часть объектов работающих под землей и при погружении в воду, например трубопроводы, свайные основания, пирсы, эстакады, суда и др. В качестве материала  для расходуемых анодов-протекторов  во всем мире широко применяется магний. Обычно он используется в виде сплавов  с содержанием 6% алюминия, 3% цинка  и 0,2% марганца; эти добавки предотвращают  образование пленок, которые снижают  скорость растворения  металла. Выход  защитного тока всегда меньше 100%, так  как магний корродирует и на нем  выделяется водород. Применяется также  алюминий, легированный 5% цинка, но разность потенциалов с железом для  сплава значительно меньше, чем для  магниевого сплава. Она близка к  разности потенциалов для металлического цинка, который также применяется  для защиты при условии, что путем  соответствующего легирования на анодах предотвращается пленкообразование, связанное с обычным для цинка  загрязнением примесями железа Выбор  материала для анодов - сложная  задача. В почвах или других средах низкой проводимости необходима большая  разность потенциалов, поскольку падение iR между электродами весьма велико, в то время как в средах высокой проводимости возможна более экономичная для использования малая разность потенциалов. Важными переменными являются расположение электродов, рассеивающая способность среды, т. е. ее способность обеспечить одинаковую плотность тока на всех участках защищаемой поверхности, а также поляризационные характеристики электродов. Если электроды погружены в почву, которая по каким – либо причинам неприемлема, например агрессивна по отношению к анодам, то обычно практикуется окружать последние ложем из нейтрального пористого проводящего материала, называемого засыпкой.

Применение для катодной защиты метода приложения тока облегчает регулирование  системы и часто дешевле, чем  использование анодов – протекторов, которые, конечно, нуждаются в регулярных заменах.

На практике катодная защита редко  применяется без дополнительных мероприятий. Требуемый для полной защиты ток обычно бывает чрезмерно  велик, и помимо дорогостоящих электрических  установок для его обеспечения  следует иметь в виду, что такой  ток часто будет вызывать вредный  побочный эффект, например чрезмерное защелачивание. Поэтому катодная защита применяется в сочетании с  некоторыми видами покрытий. Требуемый  при этом ток мал и служит только для защиты обнаженных участков поверхности  металла.

 

 

10.1.1. Катодная защита

Катодная защита применяется  в тех случаях, когда металл не

склонен к пассивации, то есть имеет протяженную область  актив-

ного растворения, узкую  пассивную область, высокие значения кри-

тического тока (гкр) и потенциала (Екр) пассивации. Осуществле-

ние катодной защиты возможно различными способами: снижением

скорости катодной реакции (например, деаэрацией растворов, в  ко-

торых протекает коррозионный процесс); поляризацией от внешнего

источника тока; созданием  контакта с другим материалом, имеющим

в рассматриваемых условиях более отрицательный потенциал  сво-

бодной коррозии (протекторная защита).

Катодную защиту с использованием поляризации от внешнего ис-

точника тока применяют для  защиты оборудования из углеродистых,

низко- и высоколегированных и высокохромистых сталей, олова,

цинка, медных и медноникелевых сплавов, алюминия и его сплавов,

свинца, титана и его сплавов. Как правило, это подземные соору-

жения (трубопроводы и кабели различных назначений, фундаменты,

буровое оборудование), оборудование, эксплуатируемое в контакте

с морской водой (корпуса  судов, металлические части береговых

сооружений, морских буровых  платформ), внутренние поверхности

аппаратов и резервуаров  химической промышленности. Часто ка-

тодную защиту применяют  одновременно с нанесением защитных

покрытий. Уменьшение скорости саморастворения металла при  его

внешней поляризации называют защитным эффектом.

Основным критерием катодной защиты является защитный по-

290 Электрохимическая противокоррозионная  защита. Защитные среды Гл. 10

тенциал. Защитным потенциалом  называется потенциал, при ко-

тором скорость растворения  металла принимает предельно  низкое

значение, допустимое для  данных условий эксплуатации. Харак-

теристикой катодной защиты является величина защитного эффек-

Z = (K0- Кг)/Ко - 100 %, A0.1)

где Kq [г/(м2 -ч)] — скорость коррозии металла без защиты, К\ [г/(м2 х

хч)] — скорость коррозии металла в условиях электрохимической

защиты. Коэффициент защитного  действия К3 [г/А] определяют по

формуле:

К3 = (Аш0 - Ami)/iK, A0.2)

где Дто и Ami — потери массы металла соответственно без ка-

тодной защиты и при  ее применении (г/м2), гк [А/м2] — плотность

катодного тока.

При организации катодной защиты отрицательный полюс внеш-

него источника тока присоединяют к защищаемой металлической

конструкции, а положительный  полюс — к вспомогательному элек-

троду, работающему как  анод. В процессе защиты анод разрушается

и его необходимо периодически заменять.

Источниками внешнего тока при катодной защите служат станции

катодной защиты, обязательными  элементами которых являются: пре-

образователь (выпрямитель), вырабатывающий ток; токоподвод к за-

щищаемой конструкции, электрод сравнения, анодные заземлители,

анодный кабель.

Станции катодной защиты бывают регулируемые и нерегулируе-

мые. Нерегулируемые станции  катодной защиты применяются в том

случае, когда изменения  сопротивления в цепи тока практически

отсутствуют. Указанные станции  работают в режиме поддержания

постоянного потенциала или  тока и применяются для защиты ре-

зервуаров, хранилищ, высоковольтных кабелей в стальной броне,

трубопроводов и др.

Регулируемые станции  катодной защиты применяются при  нали-

чии в системе блуждающих токов (близость электрифицированно-

го транспорта), периодических  изменений сопротивления растека-

нию тока (сезонные колебания  температуры и влажности грунтов),

технологических колебаний (изменение уровня раствора и скоро-

сти течения жидкости). Регулируемым параметром может служить

ток или потенциал. Частота  расположения станций катодной защиты

по длине защищаемого  объекта определяется электропроводностью

эксплуатационной среды. Чем она выше, тем на большем  расстоянии

друг от друга будут  располагаться катодные станции.

10.1. Электрохимическая защита 291

Анодные заземлители, соединяющие  положительный полюс ка-

тодной станции с землей, изготавливаются из различных материа-

лов — стали, графита, ферросилицида, титана, платинированного

титана и др. Схема расположения анодных заземлителей определя-

ется конфигурацией защищаемой конструкции. Мощность станции

катодной защиты определяется максимальным сопротивлением рас-

теканию тока с анодных  заземлителей. С целью снижения указанного

сопротивления анодные заземлители  располагают либо на участках

грунта, обладающих минимальным  сопротивлением, либо в специ-

альных коксовых обсыпках.

Засыпка представляет собой  толстый слой кокса, в которую  до-

бавляют гипс и поваренную соль в соотношении 4:1. Такая засыпка

имеет высокую электропроводность.

Для защиты водных объектов аноды устанавливают на дне рек  и

морей. При защите заводской  аппаратуры аноды погружают в  тех-

нологические среды.

Катодную защиту внешним  током применяют как дополнитель-

ное средство к изоляционному  покрытию. При этом изоляционное

покрытие может иметь  повреждения. Защитный ток протекает  в

основном по обнаженным участкам металла, которые и нуждают-

ся в защите.

Применяют катодную защиту внешним током и к конструкциям,

имеющим значительные повреждения, что позволяет приостановить

дальнейшее распространение  коррозии.

Использование катодной защиты сопряжено с опасностью так на-

зываемой перезащиты. В  этом случае вследствие слишком сильного

смещения потенциала защищаемой конструкции в отрицательную

сторону может резко возрасти скорость выделения водорода. Резуль-

татом этого является водородное охрупчивание или коррозионное

растрескивание материалов и разрушение защитных покрытий.

¹ От латинского corrodere-разъедать.

² Как известно F=U+TS, где F-изохорный  термодинамический потенциал, или свободная энергия; U-внутренняя энергия; S-энтропия. В то же время G=H-TS, где H- энтальпия. По аналогии со свободной энергией, величина G часто называется свободной энтальпией. Особенно распространен этот термин в иностранной научной литературе.