Общие сведения о системах катодной и протекторной защиты

Основной причиной общей коррозии металла в морской воде является образование множеств микрогальванопар на границе металла и морской воды. При этом анодные участки подвергают­ся растворению. Одним из наиболее эффективных методов борь­бы с коррозией является принудительная катодная поляризация защищаемой поверхности, т. е. превращение всей защищаемой поверхности в катод.

Если для этой цели используется внешний источник питания, то такая система защиты называется катодной. Если источником тока служит разность электрохимических потенциалов между жертвенным и защищаемым металлом, то такую систему защиты принято называть протекторной (хотя по своей физической сущ­ности это тоже катодная защита).

Одной из основных прикладных задач теории электрических полей в морской среде является расчёт параметров катодной и протекторной защиты морской техники. Он основан на расчёте распределения защитного потенциала или тока на защищаемых металлических поверхностях. Такой расчёт ведётся на основе экспериментально устанавливаемых критериев защиты.

Значение ‒ u_min обусловливается минимально необходимым смещением потенциала в отрицательную (катодную) зону для предотвращения коррозии, а значение ‒u_тах — максимально до­пустимым значением смещения потенциала, при котором не на­рушается целостность покрытия (за счёт выделения водорода на поверхности защищаемого металла под слоем краски). Например, для углеродистой стали в морской воде u_min = 0,1 В, а u_тах = 1 В. Отметим, что величинам и_min и u_max соответствуютj_min и j_max, которые определяются по катодным поляризационным кривым защищаемого металла.

Катодная защита реализуется с помощью специализирован­ных станций катодной защиты (рис. 2.13), которые в минимальной комплектации содержат источник питания постоянного тока 1 (с автоматической или ручной регулировкой), несколько анодов с изоляционными экранами 2 и электрод сравнения 3 для контроля защитного потенциала.

Рис.2.13. Система катодной защиты судна

По аналогичной схеме строится катодная защита стационар­ных морских сооружений (например, буровых платформ) и судов на стоянках (с помощью подвесных или установленных стацио­нарно на дне анодов).

Принципиальные электрические схемы протекторной защиты показаны на рис. 2.14 [4], где 1 ‒ защищаемая металлическая по­верхность; 2 ‒ протектор; 3 ‒ изолятор; 4 ‒ балластное или регу­лировочное сопротивление.

Основным параметром протектора является его токоотдача, которая определяется из закона Ома (2.9):

где φ_П , φ_K — стационарные потенциалы протектора и защищае­мой конструкции;

R_p — сопротивление растеканию между лротектором и защищаемой конструкцией;

R_Б — балластное и регулиро­вочное сопротивление (для короткозамкнутых систем R_Б = 0).

Рис.2.14. Принципиальные электрические схемы установки протекторов:

а - короткозамкнутая; б - неотключаемая с балластным сопротивлением;

в - отключаемая нерегулируемая; г - отключаемая регулируемая; д - с подвесными протекторами

Отличительной особенностью протекторной защиты от катод­ной является гораздо большее количество протекторов по срав­нению с анодами (применяемые при катодной защите). В связи с этим для небольших по объёму судов (до 1000 т) и достаточно равномерном распределении протекторов по поверхности корпу­са количество протекторов N определяется по формуле

где j — защитная плотность тока (j = 0,04 А/м² ‒ для стальных корпусов и j = 0,015 А/м² ‒ для алюминиевых сплавов);

S — пло­щадь омываемой поверхности;

I — токоотдача одного протектора.

Вопросы расчёта параметров катодной защиты резервуаров рассмотрены в [5].

2.4. Расчёт многоэлектродных систем

Многоэлектродной гальванической системой называются три и более разнородных электрода, погружённые в электролит и со­единённые между собой по внутренней цепи [6].

Приближённый расчёт многоэлектродных систем, так же как и для гальванической пары, выполняется при допущении равно­мерности плотности тока на поверхности электродов.

В наиболее общем виде при нумерации электродов в порядке убывания стационарного потенциала эквивалентная электриче­ская схема N-электродной системы показана на рис. 2.15, где R_ij — частичные сопротивления во внутренней цепи; r_ij — собст­венные и взаимные частичные сопротивления внешней цепи (со­противления растеканию); N-электродная система называется электронейтральной, если

(2.10)

Рис. 2.15. Полная эквивалентная электрическая схема многоэлектродной системы

В многоэлектродной системе заранее неизвестно, какие элек­троды являются анодами, а какие катодами, кроме электродов с наименьшим и наибольшим стационарным потенциалом. Элек­трод с наиболее электроотрицательным значением потенциала всегда является анодом, а электрод с наиболее положительным — катодом. Направление плотности тока на электродах с промежу­точными значениями стационарных потенциалов заранее неиз­вестно. Это также является задачей расчёта многоэлектродных систем.

Зная направление токов в многоэлектродных системах, можно определить, какие из металлов будут подвергаться коррозионно­му разрушению.

При необходимости учёта всех внутренних и внешних сопро­тивлений (как собственных, так и частичных) расчёт может быть выполнен только численными методами теории нелинейных элек­трических цепей. При приближённом расчёте рассматриваются упрощённые схемы многоэлектродных систем.

Рис.2.16 Эквивалентная электрическая схема короткозамкнутой

Многоэлектродной системы

Короткозамкнутая многоэлектродная система (рис. 2.16) ис­пользуется тогда, когда можно считать, что внешние (по воде) и внутренние сопротивления пренебрежимо малы по сравнению с поверхностными сопротивлениями электродов. В общем случае такое допущение приводит к завышенным значениям токов элек­тродов.

Если достаточно учитывать только собственные внутренние и внешние сопротивления электродов, то приходим к эквивалент­ной электрической схеме, показанной на рис. 2.17.

Последние допущения являются обоснованными, если рас­стояние между электродами достаточно велико и можно пренеб­речь взаимными частичными сопротивлениями растеканию, а во внутренней цепи электроды замкнуты на общую шину через соб­ственные омические сопротивления. Последнее, например, имеет место при электрическом разъединении омываемых металличе­ских деталей от контакта с поверхностью корпуса судна.

Рис.2.17. Упрощенная эквивалентная электрическая схема

Многоэлектродной системы

2.4.1. Графический расчёт многоэлектродных систем

Рассмотрим графический расчёт на примере короткозамкнутой многоэлектродной системы. Как и при расчёте гальванической пары, будем считать распределение плотности тока на поверхно­сти каждого из электродов постоянным, что позволит сразу пе­рейти к полным поверхностным сопротивлениям. Тогда эквива­лентная электрическая схема короткозамкнутой многоэлектрод­ной системы имеет вид, показанный на рис. 2.17.

Исходными данными для графического расчёта многоэлек­тродной системы являются поляризационные кривые металлов — анодные и катодные (для первого только анодная, а для последнего только катодная), площади электродов и их стационарные потенциалы.

Вначале кривые удельной поляризации перестраиваются в кривые полной поляризации, а затем строится суммарная анод­ная и суммарная катодная кривые. При этом суммирование кри­вых отдельных электродов осуществляется по току, так как в короткозамкнутой системе все электроды находятся под одним и тем же потенциалом, который называется общим (U_общ).

Графический расчёт поясняется рис. 2.18 для системы из че­тырёх электродов. Построение суммарной катодной характери­стики осуществляется «снизу вверх». От уровня φ₁ до φ₂ она совпадает с катодной характеристикой 1-го электрода. Далее к катодной характеристики 1-го электрода прибавляется (по току) катодная 2-го, а с уровня φ₃катодная 3-го электрода.

Суммарная анодная характеристика стоится аналогично, только «сверху вниз». Ордината точки пересечения суммарной анодной и суммарной катодной характеристик и определяет об­щий потенциал системы. Электроды с более электроотрицатель­ным стационарным потенциалом чем U_общ являются анодами (так как в этом случае U_0бш ‒ φ > 0 и I > 0), а с более положительным — катодами (так как в этом случае U_0бш ‒ φ < 0 и I < 0). Электрод, у которого стационарный потенциал равен U_0бш, являются электро­нейтральным. Ток отдельного электрода определяется абсциссой точки пересечения горизонтальной линии U_0бш с поляризацион­ной кривой этого электрода.

Рис.2.18. Графический расчёт четырёхэлектродной системы

Замечание 1. Поскольку в самой схеме графического расчёта содержится условие электронейтральности многоэлектродной системы, то правильность построения легко проверить с помощью соотношения (2.10).

Замечание 2. (Практически важный случай, когда один из электродов — корпус судна). Для многоэлектродной системы, со­держащей электрод, у которого площадь поверхности существен­но больше площади остальных электродов системы, схема гра­фического расчёта отличается от рассмотренной. Поясним это на примере трёхэлектродной системы. Пусть второй электрод имеет площадьS₂ . Это значит, что при переходе от кривых удель­ной поляризации такого электрода к кривым полной поляризации последние совпадут с горизонтальной прямой (поскольку угол их наклона к горизонтальной оси пропорционаленb/S (рис. 2.19)).

Стационарный потенциал электрода с бесконечно большой по­верхностью всегда будет совпадать с общим потенциалом системы электродов. Электроды, стационарные потенциалы которых нахо­дятся выше данного, будут являться анодами, а ниже — катодами.

Сам электрод с бесконечно большой поверхностью может яв­ляться как катодом, так и анодом или быть электронейтральным. На рис. 2.19 2-й электрод является катодом.

Рис.2.19. Графический расчёт в случае S₂ S₁, S₃

По существу наличие в многоэлектродной системе электрода с очень большой поверхностью, разбивает такую систему на на­бор гальванопар, которые образуются между данным электродом и остальными электродами системы. При этом расчёт существен­но упрощается. После определения токов гальванопар ток элек­трода с бесконечно большой площадью поверхности определяет­ся из условия электронейтрапьности.