Обработка экспериментальных результатов

После определения потери массы образцов (∆m), рассчитывается массовый показатель коррозии по формуле 1.1:

(1.1)

где К_m – массовый показатель коррозии, г/см²∙ч;

- потери массы за время испытания, г;

S - площадь поверхности образца, см²;

- время испытания.

Глубинный показатель коррозии определяется по формуле 1.2

(1.2)

Где, П – глубинный показатель коррозии, мм/год;

ρ – плотность металла, г/см³.

По величине глубинного показателя коррозии определяется балл и группа стойкости исследуемого металла.

Степень защиты ингибитора определяется по уравнению 1.3 и выражается в процентах:

(1.3)

где К₁ - показатель коррозии металла в отсутствии ингибитора, г/см²ч;

К₂ - показатель коррозии металла при наличии ингибитора, г/см²ч.

Коэффициентом торможения называется отношение скорости коррозии металла в среде не содержащей ингибитора к скорости коррозии того же металла после введения в эту среду ингибитора и вычисляется по уравнению 1.4 (коэффициент торможения показывает во сколько раз уменьшается скорость коррозии в результате действия ингибитора):

(1.4)

Исходя из полученных данных о эффективности ингибирования сделать вывод о целесообразности применения исследуемого ингибитора для конкретной коррозионной среды.

Правила техники безопасности

При выполнении работы необходимо соблюдать следующие правила техники безопасности:

- после окончания опытов по исследованию коррозии в кислоте образцы промываются в стакане с водой, находящемся непосредственно на рабочем месте, только после такой предварительной промывки осуществляется окончательная промывка образцов в раковине под струей воды;

- загрузка и выгрузка образцов в ячейки производится пинцетом;

- по окончании опытов исследуемые составы сливаются обратно в исходную емкость.

- Используемая при опытах посуда тщательно промывается

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

(Лабораторная работа 7)

Цель работы: ознакомится с электрохимическими методами защиты металлов от коррозии.

Теоретические предпосылки

В настоящее время в промышленной практике используются три вида электрохимической защиты металлов от коррозии: катодная, протекторная, анодная

Катодная защита заключается в смещении потенциала металла корродирующей конструкции в отрицательную сторону за счёт присоединения его к отрицательному полюсу источника тока.

Катодная защита

Рис. 7.1. Принципиальная схема катодной защиты

Рис. 7.2. Коррозионная диаграмма, поясняющая сущность катодной защиты

На рис.7.2 представлена коррозионная диаграмма, с помощью которой можно пояснить сущность катодной защиты.

Предположим, что железная конструкция корродирует, например, в грунте при потенциале Е_ст со скоростью I_кор = I_а = I_к. Если конструкцию присоединить к отрицательному полюсу источника тока и сместить её потенциал до значения Е₁, то, как видно из диаграммы, скорость анодного процесса на защищаемой конструкции уменьшается, т.е. уменьшается и скорость коррозии. В случае, если потенциал защищаемой конструкции сместить до потенциалов Е_защ < Е^ме_равн, то коррозия её полностью прекратится. При этом во внешней цепи (рис.6.1) пройдёт ток защиты I_защ , а на поверхности защищаемой конструкции будут протекать только катодные реакции:

1) O₂ + H₂O + 4e → 4OH⁻

2) 2H₂O + 2e → H₂ + 2OH⁻

Величина тока I_защ зависит прежде всего от агрессивности коррозионной среды и, кроме того, от значения потенциала, которое будет задано конструкции. При потенциалах защиты Е_защ значительно более отрицательных, чем Е^ме_равн, ток защиты I_защ будет велик, на защищаемой конструкции в этом случае выделяется большое количество водорода, такая ситуация называется перезащитой. Небольшая перезащита всегда нужна, так как распределение потенциала по поверхности конструкции происходит неравномерно. Большая перезащита снижает экономичность катодной защиты, способствует наводораживанию защищаемого металла и разрушению на нём защитных покрытий за счёт интенсивного выделения водорода. В связи с этим при катодной защите потенциал защищаемых конструкций поддерживается в строго определённых пределах. Так, при защите стальных сооружений Е_защ = –0,55 + –0,80 В (н.в.з.). Равномерность распределения потенциала по поверхности защищаемой конструкции в очень большой степени зависит от наличия на ней пассивной защиты (защитных покрытий, например битумных), поэтому катодная (активная) защита всегда используется в комбинации с пассивной защитой с помощью защитных покрытий.

В качестве вспомогательного электрода при катодной защите используются растворимые аноды (железный лом, отработанные чугунные водопроводные трубы), но более часто нерастворимые аноды (графитовые трубы, кремнистый чугун, свинец, легированный серебром). В зависимости от вида анода на нём будут протекать следующие реакции:

Ме – ne → Me^+ne растворимый анод

2H₂O – 2e → O₂ + 4H⁺ растворимый анод

2H₂O – 2e → O₂ + 4H⁺ нерастворимый анод

Аноды устанавливают вертикально, горизонтально, смешанно на разную глубину (вплоть до 80 м); расстояние от конструкции до анода от нескольких сантиметров до 400 м. Для уменьшения сопротивления рассеяния при стекании тока с анода они часто помещаются в искусственную среду, например в скважину, рядом с анодом засыпается и утрамбовывается коксовая мелочь.

При организации катодной защиты используются специальные устройства, например ПАСК (полуавтоматическая станция катодная), обеспечивающие автоматическое поддержание потенциала с точностью до +10 мВ.

Основным преимуществом катодной защиты является её высокая надёжность и рентабельность при защите дорогостоящих сооружений. К её недостаткам относят ограниченность применения, большие затраты на организацию, расход электроэнергии и вредное воздействие на соседние незащищённые металлические конструкции.

Протекторная защита

Протекторная защита основана на особенностях коррозии двух металлов в контакте (см. лабораторную работу №3) . Согласно теории контактной коррозии (рис. 3.1), при контакте положительного металла М₂ с более отрицательным М₁ потенциал металла М₂ смещается в отрицательную сторону, коррозия его при этом уменьшается или полностью прекращается. На поверхности защищаемого металла протекают только катодные реакции:

О₂ + Н₂О + 4е → 4ОН⁻

2Н₂О + 2е → Н₂ + 2ОН⁻

а на протекторе локализуется весь анодный процесс:

Ме – 2е → Ме⁺² или Ме – 2е + 2ОН^– = Ме(ОН)₂

и дополнительно протекают те же самые катодные реакции:

О₂ + Н₂О + 4е → 4ОН⁻

2Н₂О + 2е → Н₂ + 2ОН⁻

Рис 7.3. Принципиальная схема протекторной защиты

1-защищаемый трубопровод; 2- протектор

3- кабель; 4- измерительная колонка

Протекторная защита, как и катодная, сводится к смещению потенциала защищаемого металла в отрицательную сторону до значения ≤ Е_равн^Ме. В связи с этим протекторную защиту также часто называют катодной. Отрицательный металл, способствующий такому смещению, называются протектором (защитником). Принципиальная схема защиты очень проста (рис. 6.3).

В качестве протектора при защите стальных конструкций используется Zn, сплавы алюминия и магния. Соотношение площадей протектора и защищаемого металла меняется в пределах от 1:200 до 1:1000. Коэффициент полезного действия протектора определяется выражением

КПД = 100% ,

где: g – электрохимический эквивалент металла протектора;

I_защ – ток защиты;

τ – время защиты;

m – масса растворившегося протектора.

При защите от грунтовой (подземной) коррозии протекторы располагаются в 2 - 4 метрах от корродирующей конструкции на глубине большей глубины промерзания грунта. Для предотвращения пассивации протектора он помещается в активатор, представляющий собой смесь солей MgSO₄ или Na₂SO₄ c CaSO₄ и глиной.

Для повышения эффективности и радиуса действия протектора защита всегда используется в комбинации с пассивной защитой с помощью покрытий (битумных, полимерных, лакокрасочных и т.д.).

К преимуществам протекторной защиты относят ее высокую эффективность при правильной организации и относительную простоту ее устройства. В качестве основных недостатков необходимо отметить ограниченность области применения, расход протекторов и, следовательно, необходимость их периодической замены.

Анодная защита

Рис 7.4. Коррозионная диаграмма, поясняющая сущность анодной защиты

Анодная защита применяется только для металлов, склонных к пассивации в коррозионной среде. Она сводится к смещению потенциала металла из области активного растворения в область пассивации с помощью внешнего источника тока (рис. 7.4).

Рис.7.5. Принципиальная схема анодной защиты:

1 – защищаемая конструкция; 2 – система поддержания потенциала; 3 – источник тока; Э.С. – электрод сравнения; В.Э. – вспомогательный электрод; mV – мультиметр; А – амперметр

Согласно рис.7.4, металл в данной коррозионной среде может пассивироваться. Однако в обычных условиях на его поверхности реализуется потенциал Е_ст и металл корродирует в области активного растворения с высокой скоростью. Если защищаемую конструкцию присоединить к положительному полюсу источника тока и сместить потенциал в область dе, то коррозия существенно снизится, хотя полностью и не прекратится.

Принципиальная схема анодной защиты приведена на рис.7.5.

При организации анодной защиты различают два основных этапа:

- перевод металла защищаемой конструкции в пассивное состояние;

- поддержание металла в пассивном состоянии.

Для перевода защищаемого металла в пассивное состояние необходимо дать толчок тока I_пасс (рис.7.4). Это можно сделать, подсоединив в схеме (рис.7.5) к основному источнику тока параллельно дополнительный мощный источник тока. Если его нет, то перевод конструкции в пассивное состояние может проводиться по частям или используется предварительная пассивация металла с помощью химических растворов. Иногда для снижения I_пасс в коррозионную среду первоначально вносят ингибитор, а потом его постепенно убирают, меняя среду на новую.

Поддержание потенциала защищаемого металла в области пассивации может осуществляться с помощью потенциостатов, однако эти приборы достаточно сложны и дороги, поэтому в практике используются регуляторы периодического действия (РПД), которые поддерживают металл в пассивном состоянии за счёт периодической поляризации, потенциал защищаемой конструкции при периодической поляризации меняется, но не выходит за область пассивации. Сравнительно несложная автоматика позволяет включать ток при достижении потенциала защищаемой конструкции, близкого к потенциалу перепассивации (Е_переп), и вновь включать его, когда потенциал приближается к потенциалу активации (Е_ПП) (рис.5.3).

В качестве вспомогательного электрода используются металлы, устойчивые в окружающей коррозионной среде (Ni, нержавеющая сталь, Мо и т.д.), так как в периоды отключения тока металл вспомогательного электрода катодно не защищается.

К недостаткам анодной защиты можно отнести ограниченность её применения, недостаточную надёжность защиты металла на границе газ–жидкость, достаточно сложное аппаратурное оформление.

Большим преимуществом анодной защиты является возможность применять её в высокоагрессивных средах, где применение других способов защиты затруднено вследствие невысокой эффективности или экономической целесообразности.

В практике защиты металлов от коррозии широко используют ещё одну разновидность анодной защиты: увеличение пассивируемости легированных сталей в высокоагрессивных коррозионных средах с помощью катодных присадок. Иногда этот способ защиты рассматривается как разновидность легирования. В качестве катодных присадок используются металлы: с низким перенапряжением выделения водорода (Cu, Pt, Pb). Катодная присадка в защищаемый металл вводится в небольшом количестве (0,5–3%).

Влияние катодных присадок на коррозию легированной стали пояснено с помощью коррозионных диаграмм в лабораторной работе 5 (рис.5.4–5.5).

Ход выполнения работы

При выполнении работы студенту предлагается следующий вариант задания: ознакомится с протекторной защитой железа цинком в заданном солевом растворе, определить эффективность защиты и КПД протектора;

Исследование протекторной защиты. При выполнении настоящего задания студенту предлагается ознакомиться с протекторной защитой железа цинком и определить эффективность защиты и коэффициент полезного действия протектора.

Изучение протекторной защиты железа цинком проводится в двух коррозионных ячейках. В первую ячейку помещают железный и цинковый образцы, не соединенные между собой (рис. 7.6).

Рис 7.6. Схема установки для исследования скорости коррозии железа и цинка, работающих без контакта друг с другом:

Fe – железный электрод; Zn – цинковый электрод; М – мультиметр (вольтметр); К – ключ; Ag/AgCl – хлорсеребряный электрод сравнения

Во вторую ячейку помещают железный и цинковый электроды, соединяющиеся между собой через амперметр (рис. 7.7), с помощью которого оценивается ток защиты. В процессе коррозии с помощью мультиметра измеряются потенциалы цинка и железа, работающие в контакте и без контакта.

Опыты проводятся в следующей последовательности:

1. Четыре электрода (два цинковых и два железных) подготовить к работе: механически обработать, обезжирить, промыть, высушить, взвесить (последовательно: сначала на технических весах, затем на аналитических).

2. Электроды попарно разместить в коррозионных камерах: железо и цинк, находящиеся во второй ячейке, соединить между собой через амперметр.

Рис 7.7. Схема установки для исследования скорости коррозии железа и цинка, работающих в контакте друг с другом:

Fe – железный электрод; Zn – цинковый электрод; А – амперметр; М – мультиметр (вольтметр); К – ключ; Ag/AgCl – хлорсеребряный электрод сравнения

3. В коррозионные камеры залить исследуемую среду и зафиксировать время опыта.

4. 4. В процессе коррозии периодически (каждые 5–10 мин) фиксировать величину тока защиты (I, мА). Результаты измерений записать в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Изменение тока защиты в процессе эксперимента

τ, мин								Средн.
I, мА

5. 4–5 раз за время опыта замерить потенциалы цинка и железа, рабо­тающих в контакте и без контакта (Е, В).

6. По окончании опыта все четыре электрода промыть, удалить воду фильтровальной бумагой, протереть электроды этиловым спиртом, высушить и взве­сить на аналитических весах.

Результаты опытов представить в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Экспериментальные данные по протекторной защите

Измеряемые величины	Сталь	Цинк
Без контакта	В контакте	Без контакта	В контакте
Масса металла, до опыта, г
Масса металла, после опыта, г
Δm, г
Потенциал металла, в	Е1
Е2
Е3
Е4
Е5
Еср
Еср ,(н.в.э)