Защита сталей от коррозии внешним током

Цель работы

Исследовать эффективность электрохимической защиты металлов от коррозии в электролитах в зависимости от плотности налагаемого постоянного тока, электропроводности, рН электролита, характера взаимного расположения и расстояния между вспомогательным электродом и защищаемым изделием, для чего определить радиус действия электрохимической защиты и измерить электродные потенциалы испытуемых образцов.

Теоретическое введение

Различают следующие виды электрохимической защиты металлов от коррозия с помощью постоянного электрического тока от внешнего источника: катодную и анодную защиту.

Катодная защита внешним током состоит в том, что защищаемую конструкцию (рис. 25) присоединяют к отрицательному полюсу источника постоянного тока (т.е. в качестве катода), а к положительному полюсу присоединяют дополнительный электрод, поляризуемый анодно. При таком пропускании тока поверхность защищаемой конструкций поляризуется катодно, что приводят к ослаблению работы локальных анодов, или их превращению в катоды, т.е. к уменьшению или полному прекращению коррозионного разрушения защищаемой конструкции. Анодный процесс при этом протекает на дополнительном электроде. Для полного прекращения электрохимической коррозии защищаемого металла он должен быть катодно заполяризован до значения обратимого потенциала (Е_Ме)_обр, а сплав – до значения обратимого потенциала его наиболее отрицательной анодной составляющей.

Важнейшими параметрами катодной защиты внешним током являются: защитный потенциал Е_защ; минимальная защитная плотность тока i_защ, радиус защитного действия R_защ, максимальный потенциал Е_макс.

Защитным потенциалом Е_защ называют значение потенциала, при котором прекращается коррозионный процесс. Для стальных конструкций таким потенциалом является обратимый потенциал железа в данном электролите. При рН > 5,5, когда продуктом коррозии является труднорастворимый гидрат оксида железа, этот потенциал может быть рассчитан по уравнению:

Е_защ = Е_Fe/Fe2+ = - (0,050 + 0,0592pH). (107)

Рис. 25. Принципиальная схема катодной защиты и распределение потенциала вдоль защищаемого трубопровода: 1 – трубопровод: 2 – источник тока; 3 – дополнительный электрод; R – радиус действия защиты; E_x – начальный потенциал металла трубопровода; E = f(x) – распределение потенциала вдоль трубопровода

Разность между Е_защ и начальным (до катодной поляризации) потенциалом стали в данном электролите дает защитное отрицательное превышение потенциала на катодно-защищаемой металлической конструкции, т.е. значение ее катодной поляризации:

ΔЕ_к = Е_защ = Е_защ – Е_x. (108)

Минимальной защитной плотностью тока (i_защ) называют плотность тока, необходимую для достижения максимального защитного эффекта. Так как i_защ зависит от катодной поляризуемости металла защищаемой конструкции, физико-химических свойств электролита, то эта величина, как правило, определяемся испытаниями в конкретных условиях или берется по литературным данным.

Радиус защитного действия (см. рис. 25) определяют как расстояние от точки дренажа до того места на поверхности защищаемой конструкции, где ее потенциал становится равным Е_защ.

Максимальный потенциал – это максимально допустимый потенциал на защищаемой конструкции. При этом потенциале обеспечивается благоприятное сочетание всех параметров защиты, но не имеет места протекание катодного процесса водородной деполяризации, способствующего отслаиванию защитных покрытий и наводороживанию металла защищаемой конструкции. Максимальный потенциал при защите от коррозии различных конструкций устанавливается соответствующими нормативными документами. Например, при защите от коррозии металлических подземных сооружений установлен максимальный потенциал – 1,22 В по медно-сульфатному электроду сравнения.

Катодную защиту внешним током широко применяют как дополнительное (к изоляционному покрытию) и самостоятельное средство защиты от коррозии подземных металлических сооружений (трубопроводов и кабелей различного назначения), подводных поверхностей металлических конструкций в речной и морской воде (обшивка судов, сваи, металлические элементы конструкций гидротехнических сооружений и т.д.), заводской аппаратуры (резервуары, реакторы, теплообменники и т.д.).

Анодная защита внешним током состоит в том, что защищаемую конструкцию присоединяют к положительному полюсу источника постоянного тока (т.е. в качестве анода), а к отрицательному полюсу присоединяют дополнительный электрод, поляризуемый катодно. При таком пропускании тока поверхность защищаемого металла поляризуется анодно, ее потенциал смещается в положительную сторону, обуславливая увеличение скорости растворения металла. Однако, при достижении определенного значения потенциала поверхность защищаемого металла пассивируется, что приводит к значительному (на несколько порядков) уменьшению скорости электрохимической коррозии металла. На дополнительном электроде – катоде при этом протекает катодный процесс. При больших плотностях анодного тока и значительной анодной поляризации металла возможно достижение, значений потенциала, соответствующие потенциалу питтингообрвзования и развитию интенсивней местной точечной коррозии, или потенциала перепассивации, когда становится возможным растворение металла с образованием ионов высшей валентности (FeO₄^2- и CrO₄^2- для железа и хрома), что приводит к нарушению пассивного состояния и увеличению скорости растворения металла. Для анодной защиты важнейшими параметрами являются: потенциал полной пассивности, критическая плотность тока пассивации, ширина (в вольтах) области пассивного состояния, потенциалы питтингообразования и перепассивяции. Все эти параметры находят из анодной поляризационной кривой для изучаемого сплава в данном электролите. Анодная защита применяется в химической и других отраслях промышленности для защиты от коррозии технологических аппаратов, изготовленных из пассивирующихся сплавов, в средах, не содержащих депассиваторов.

Эффективность электрохимической защиты металлов от коррозии, в том числе и защиты внешним током, характеризуют величиной защитного эффекта Z (%) и коэффициентом защитного действия K₃ (кг/А):

(109).

где K_m0^- - отрицательный показатель изменения массы металлов в электролите без электрохимической защиты, кг/м²·ч; K_m1^- - отрицательный показатель изменения массы металла в том же электролите при применении электрохимической защиты кг/м²·ч;

(110)

где Δm₀ – удельная убыль массы металла в электролите без электрохимической защиты, кг/м²; Δm₁ – удельная убыль массы металла в том же электролите при электрохимической защите, кг/м²; j – плотность тока, А/м².

При использовании электрохимической защиты внешним током исходят из необходимости достижения высокого защитного эффекта (Z), большого радиуса защитного действия, низких значений плотности тока и высоких значений коэффициента защитного действия.