загрузка...
 
3.1 Катодная защита
Повернутись до змісту

3.1 Катодная защита

Катодная защита — наиболее распространенный вид электрохимической защиты. Она применяется в тех случаях, когда металл не склонен к пассивации, то есть имеет протяжненную область активного растворения, узкую пассивную область, высокие значения тока пассивации (iп) и потенциала пассивации (?п).

Катодную поляризацию можно осуществлять путем  присоединения защищаемой конструкции к отрицательному полюсу внешнего источника тока или к металлу, имеющему более электроотрицательный электродный потенциал. В последнем случае нет надобности во внешнем источнике тока, так как образуется гальванический элемент с тем же направлением тока, т. е. защищаемая деталь становится катодом, а более электроотрицатель­ный металл, называемый протектором, — анодом.

Катодная защита  внешним током. Катодную защиту с использованием поляризации от внешнего ис­точника тока применяют для защиты оборудования из углеродистых, низко- и высоколегированных и высокохромистых сталей, олова, цинка, медных и медно-никелевых сплавов, алюминия и его сплавов, свинца, титана и его сплавов. Как правило, это подземные соору­жения (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 ка­тодную защиту применяют одновременно с нанесением защитных покрытий. Уменьшение скорости саморастворения металла при его внешней поляризации называют защитным эффектом.

Основным критерием катодной защиты является защитный по­тенциал. Защитным потенциалом называется потенциал, при ко­тором скорость растворения металла принимает предельно низкое значение, допустимое для данных условий эксплуатации. Харак­теристикой катодной защиты является величина защитного эффек­та Z, %:

,

где K0 [г/(м2·ч)] — скорость коррозии металла без защиты, К1 [г/(м2·ч)] — скорость коррозии металла в условиях электрохимической защиты. Коэффициент защитного действия К3 [г/А] определяют по формуле

К3 = (Dm0 - Dmi)/iK,

где Dmo и Dmi — потери массы металла соответственно без ка­тодной защиты и при ее применении, г/м2; iк [А/м2] — плотность катодного тока.

Схема катодной защиты представлена на рис. 51. Отрицательный полюс внешнего источника тока 4 присоединен к защищаемой металлической конструкции 1, а положительный полюс – к вспомогательному электроду 2, работающему как анод. В процессе защиты анод ак­тивно разрушается и подлежит периодическому восста­новлению.

 

Рисунок 51 -   Схема катодной защиты внешним  током

 

Рисунок 52 - Схема  катодной защиты плавильного котла: 1 — котел; 2 — источник тока;3 —анод

В качестве материала анода применяют чугун, сталь, уголь, графит, металлический лом (старые трубы, рель­сы и др.). Так как эффективное сопротивление прохождению электрического тока оказывает только тот слой почвы, который находится в непосредственной близости от анода, то его обычно помещают в так называемую засыпку 3— толстый слой кокса, в который добавляют 3—4 части (по массе) гипса и 1 часть поваренной соли. Засып­ка имеет высокую электропроводность, благодаря чему снижается переходное сопротивление почва—анод.

Источниками внешнего тока при катодной защите служат станции катодной защиты, обязательными элементами которых являются: пре­образователь (выпрямитель), вырабатывающий ток; токоподвод к защищаемой конструкции, электрод сравнения, анодные заземлители, анодный кабель.

Станции катодной защиты бывают регулируемые и нерегулируе­мые. 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 ре­зервуаров, хранилищ, высоковольтных кабелей в стальной броне, трубопроводов и др.

Регулируемые станции катодной защиты применяются при нали­чии в системе блуждающих токов (близость электрифицированно­го транспорта), периодических изменений сопротивления растека­нию тока (сезонные колебания температуры и влажности грунтов), технологических колебаний (изменение уровня раствора и скоро­сти 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.

Для защиты сооружений в воде аноды устанавливают на дне рек, озер, морей. В этом случае засыпка не требуется.

Катодную защиту заводской аппаратуры (холодильников,  теплообменников, конденсаторов и др.), подвергающейся воздействию агрессивной среды, осуществля­ют   путем   подсоединения   к   отрицательному   полюсу внешнего источника тока и погружения анода в эту среду (рис. 52).

Катодную защиту внешним током применяют как дополнитель­ное средство к изоляционному покрытию. При этом изоляционное покрытие может иметь повреждения. Защитный ток протекает в основном по обнаженным участкам металла, которые и нуждают­ся 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 на­зываемой перезащиты. В этом случае вследствие слишком сильного смещения потенциала защищаемой конструкции в отрицательную сторону может резко возрасти скорость выделения водорода. Резуль­татом этого является водородное охрупчивание или коррозионное растрескивание материалов и разрушение защитных покрытий.

Катодная защита внешним током нецелесообразна в условиях атмосферной коррозии, в парообразной среде, в органических растворителях, так как в этом слу­чае коррозионная среда не обладает достаточной электропроводностью.

Протекторная защита. Протекторная защита является разновидностью катодной защиты. Схема протекторной защиты трубопровода показана на рис. 53. К защищаемой конструкции 2 присоеди­няют более электроотрицательный металл — протектор 3, который, растворяясь в окружающей среде, защищает от разрушения основную конструкцию.

После   полного растворения протектора или потери контакта его с защищаемой конструкцией протектор необходимо заменить.

 

Рисунок 53 - Схема протекторной защиты трубопровода

Протектор работает эффективно, если переходное сопротивление между ним и окружающей средой неве­лико. В процессе работы протектор, например цинковый, может покрываться слоем нерастворимых продуктов коррозии, которые изолируют его от окружающей среды и резко увеличивают переходное сопротивление. Для борьбы с этим протектор помещают в наполнитель 4 — смесь солей, которая создает вокруг него определен­ную среду, облегчающую растворение продуктов коррозии и повышающую эффективность и стабильность работы протектора в грунте 1.

Действие протектора ограничивается определенным расстоянием. Максимально возможное удаление проте­ктора от защищаемой конструкции называется радиусом действия протектора. Он зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются электропроводность среды, разность потенциалов между протектором и за­щищаемой конструкцией, поляризационные характерис­тики. С увеличением электропроводности среды защит­ное действие протектора распространяется на большее расстояние. Так, радиус действия цинкового про­тектора при защите стали в дистиллированной воде равен 0,1см, морской воде 4 м, в 3% растворе NaCl - 6м.

Протекторную защиту по сравнению с катодной за­щитой внешним током целесообразно использовать в тех случаях, когда получение энергии извне связано с трудностями или если сооружение специальных электро­линий экономически невыгодно.

В настоящее время протекторную защиту применяют для борьбы с коррозией металлических конструкций

в морской и речной воде, грунте и других нейтральных

средах. Использование протекторной защиты в кислых

средах ограничивается высокой скоростью саморастворения протектора.

В качестве протекторов можно применять металлы: Al, Fe, Mg, Zn. Однако использовать чистые металлы в качестве протекторов не всегда целесообразно. Так, например, чистый цинк растворяет­ся неравномерно из-за крупнозернистой дендритной структуры, по­верхность чистого алюминия покрывается плотной оксидной плен­кой, магний имеет высокую скорость собственной коррозии. Для придания протекторам требуемых эксплуатационных свойств в их состав вводят легирующие элементы.

В состав цинковых протекторов вводят Cd (0,025-0,15%) и А1 (0,1-0,5%). Содержание таких примесей, как Fe, Cu, Pb,  стараются  поддерживать  на  уровне  не  более  0,001-0,005 %.  В состав алюмини­евых протекторов вводят добавки, предотвращающие образование оксидных слоев на их поверхности — Zn (до 8 %), Mg (до 5 %), а также Cd, In, Gl, Hg, Tl, Mn, Si (от сотых до десятых долей процен­та), способствующие требуемому изменению параметров решетки. Магниевые протекторные сплавы в качестве легирующих добавок содержат Al (5-7 %) и Zn (2-5 %); содержание таких примесей, как Fe, Ni, Cu, Pb, Si поддерживают на уровне десятых или сотых долей процента. Железо в качестве протекторного материала используют либо в чистом виде (Fe-армко), либо в виде углеродистых сталей.

Цинковые протекторы применяют для защиты оборудования, экс­плуатирующегося в морской воде (морских судов, трубопроводов, прибрежных сооружений). Применение их в слабосоленой, пресной воде и грунтах ограничено вследствие образования на их поверхно­сти слоев гидроксида Zn(OH)2 или оксида цинка ZnO.

Алюминиевые протекторы применяют для защиты сооружений, эксплуатирующихся в проточной морской воде, а также для защиты портовых сооружений и конструкций, располагающихся в прибреж­ном шельфе.

Магниевые протекторы преимущественно применяют для защиты небольших сооружений в слабоэлектропроводных средах, где эф­фективность действия алюминиевых и цинковых протекторов низка, — грунтах, пресных или слабосоленых водах. Однако из-за высокой скорости собственного растворения и склонности к образованию на поверхности труднорастворимых соединений область эксплуатации  магниевых  протекторов ограничивается средами с рН = 9,5 – 10,5. При защите магниевыми протекторами закрытых систем, напри­мер резервуаров, необходимо учитывать возможность образования гремучего газа вследствие выделения водорода в катодной реакции, протекающей на поверхности магниевого сплава. Использование магниевых протекторов сопряжено также с опасностью развития водородного охрупчивания и коррозионного растрескивания обору­дования.

Как и в случае катодной защиты внешним током, эффективность протекторной защиты возрастает при ее совместном использовании с защитными покрытиями. Так, нанесение битумного покрытия на трубопроводы значительно улучшает распределение защитного тока, уменьшает число анодов и увеличивает протяженность участка трубопровода, защищаемого с помощью одного протектора. Если одним магниевым анодом можно обеспечить защиту непокрытого трубопровода длиной всего 30 м, то защита покрытого битумом трубопровода действует на длину до 8 км.



загрузка...