Электрохимическая зашита от коррозии

    

    Рис 4

Анодные заземлители при КЗВТ

 

    Анодное заземление является одним из важнейших  элементов катодной защиты. От правильного  выбора и расположения анодного заземления по отношению к защищаемому объекту зависит эффективность и надежность катодной защиты.

    

    Для обеспечения достаточной долговечности работы установки катодной защиты аноды должны быть изготовлены из материалов, стойких к окислению в условиях эксплуатации, т.к. их замена часто связана с большими затратами.

    Как показывает опыт эксплуатации, наибольшему  разрушению подвергаются стальные аноды (≈9,1 кг/А. год). Это основной недостаток стальных анодов. Поэтому они применяются вместе с коксовыми активаторами, которые уменьшают скорость растворения анодов за счет снижения плотности тока.

    Известно  применение в качестве анодного материала алюминия. При этом допустимая плотность анодного тока значительно выше, чем в случае остальных анодов. Малый электрохимический эквивалент AI обеспечивает и меньший расход массы анода. Ограничением применения алюминия является его стоимость. Он может применяться для защиты конструкций, работающих в водных средах, не содержащих галоидов, где алюминий пассивируется.

    Графит, пропитанный воском или смолами, является легко доступным и сравнительно дешевым материалом. Однако он имеет  малую механическую прочность. Выделяющиеся при его работе газы также способствуют его механическому разрушению, поэтому области применения графита ограничены, хотя стойкость графитовых электродов в 10÷15 раз выше остальных.

    Находят применение для изготовления анодов сплавы свинца. Они обладают хорошими электрохимическими и технологическими свойствами. При их анодной поляризации в области плотностей тока 200÷500 А/м² на поверхности свинцовых сплавов (Ag, Sb) образуется тонкая пленка проводящей двуокиси свинца (PbO₂), которая делает анод устойчивым к растворению.

    Поэтому перед установкой таких анодов их поверхность подвергают предварительной  обработке – анодному окислению  – с целью получения пленки двуокиси свинца, надежно защищающей анод от быстрого растворения.

    Очень высокими свойствами в качестве анодных  материалов обладают сплавы свинца с  включениями из благородных металлов – платины или платинированного титана. Включение вплавляют или запрессовывают в анод в виде проволоки или полос.

    Такие добавки улучшают условие образования пленки PbO₂ и способствуют её регенерации в случае механического повреждения. Эти аноды практически не растворимы и сохраняют в течение многолетней эксплуатации постоянное сопротивление растеканию тока в установках катодной защиты.

    Использоваться они могут в любых природных средах. Преимуществом таких анодов являются небольшие размеры и возможность придания им любой формы.

    Платинированный титан (Ti + Pt) с электрохимической  точки зрения ведет себя также как платина, хотя стоимость его во много раз ниже.

    Широко  применяют сейчас железокремниевые аноды, изготавливаемые из высококремнистых >16% Si чугунов – ферросилидов. Скорость их анодного растворения не превышает 0,5÷0,6 кг/А. год. Они тоже могут эксплуатироваться во всех природных средах, содержащих Cl – ионы, ферросилид должен быть легирован молибденом или хромом.

    Чем выше содержание кремния в сплаве, тем лучше его электрохимические свойства – высокая хрупкость и твердость.

    К важнейшим факторам, характеризующим  свойства анода и определяющим его практическую пригодность, относятся скорость его коррозии и допустимая плотность тока.

    В каждом случае следует стремиться к  оптимальному распределению тока и  потенциала на защищаемой поверхности, что обеспечивается наименьшим сопротивлением растеканию тока анода.

    Сопротивление растеканию тока зависит, прежде всего  от сопротивления окружающей анод среды, от его размеров, формы, а также от их расположения в грунте.

    Сопротивление растеканию тока с заземлителя снижается  при увеличении его диаметра и длины. Причем, при увеличении длины снижение R идет быстрее, чем при увеличении радиуса заземлителя. Поэтому по мере заглубления заземлителей кривая распределения тока делается более плавной. Кроме того, более глубокие слои грунта, как правило, имеют большую влажность, что увеличивает их электропроводность и ещё больше снижает сопротивление растеканию тока. По этой же причине анодные заземлители следует устанавливать в местах наибольшего увлажнения грунта, т.е. в местах его наименьшего сопротивления.

    Т.к. вследствие явления электроосмоса прианодное пространство обезвоживается, рекомендуется устанавливать аноды ниже уровня грунтовых вод.

    Для увеличения электропроводности грунта аноды помещают в специальную засыпку, состоящую из токопроводящих веществ. Чаще всего для этого используют гранулированный кокс, активированный уголь, графит или смеси из этих веществ.

    Засыпка облегчает удаление образующихся на аноде газов. Кроме того, на поверхности  зерен засыпки, которые должны быть в среднем размером 2÷10 мм, частично протекают электродные реакции, благодаря чему увеличивается рабочая поверхность анода и уменьшается его растворение.

    Конструкция заземления должна обеспечивать как  необходимую стабильность растеканию тока, так и долговечность заземления.

    Анодные заземления наиболее часто выполняют в виде параллельно соединенных электродов, расположенных как вертикально, так и горизонтально на глубине 5÷8 м. Их называют поверхностными анодными заземлителями.

    В крупных городах, имеющих густую и разветвленную сеть подземных коммуникаций, применяются глубинные заземления, занимающие в плане минимальную площадь. Эти заземления устанавливаются на глубине, превышающей 12÷15 м и их сооружение требует применения сложной буровой техники.

 

АНОДНАЯ ЗАЩИТА.

Общие представления об анодной защите

 

    Использование катодной защиты в агрессивных средах основной химической промышленности малоэффективно в связи с высокими плотностями необходимых защитных токов, а также вследствие интенсивного выделения водорода.

    Интерес к электрохимическим способам защиты в химической промышленности возрос в связи с развитием нового метода – анодной электрохимической защиты. Этот метод оказался наиболее применим именно в условиях химических производств.

    Сущность  метода заключается в наложении  анодной поляризации, приводящей к формированию пассивного состояния защищаемого металла и поддержанию его длительное время.

    Применению  анодной защиты благоприятствует широкое  использование в химической промышленности легкопассивирующихся металлов – нержавеющих сталей, титана и др. Поддержание пассивного состояния металла приводит к значительному снижению скорости его растворения.

    Анодную защиту в химической промышленности используют не только с целью увеличения срока службы оборудования, но и  для сохранения чистоты агрессивной среды, являющейся химическим продуктом.

Анодная защита с катодными  протекторами

 

    Для смещения потенциала защищаемого металла  в пассивную область можно  использовать катодный протектор –  более положительный электрод.

    Необходимая пассивации и поддержания пассивного состояния сила тока определяется соотношением поверхностей анода и катода, а также соотношением скоростей анодной и катодной реакции.

    В качестве протекторов могут быть использованы материалы, стационарный потенциал которых в данной среде, находится в области пассивного состояния защищаемого металла. Материал протектора должен быть устойчив в данной агрессивной среде и на его поверхности при смещении потенциала в отрицательную сторону должна протекать электрохимическая реакция, ток которой расходуется на поддержание устойчивого пассивного состояния защищаемого металла.

    В наибольшей степени всем этим требованиям, конечно, удовлетворяют 

    благородные металлы: платина, палладий, золото. Однако такие протекторные материалы не находят широкого применения ввиду высокой стоимости. Известно применение в качестве катодных протекторов и других металлов - никеля, титана – для защиты углеродистой стали; висмута и сурьмы – для защиты титана.

    Известно  также применение в некоторых  случаях в качестве протекторного материала нержавеющих сталей и сплава «хастеллой».

    Однако, в этих случаях площадь протектора, как правило, должна превышать площадь защищаемой поверхности, что, конечно, не всегда возможно.

    Из  всех применяющихся при анодной  защите протекторных материалов наиболее пригодным следует назвать графит. Он устойчив в многих агрессивных средах, обеспечивает относительно высокую плотность тока и достаточно дешев и доступен.

    В качестве графитовых протекторов можно использовать отходы при

    изготовлении графитовых электродов, футеровочные плитки из графита или другие изделия, выпускаемые нашей промышленностью.

    Достаточно  положительные стационарные всех известных  графитовых материалов, лежащие в  области устойчивого пассивного состояния стали, определяют принципиальную пригодность графита в качестве катодного протектора. Анодная защита с помощью протекторов может быть использована только в том случае, когда условия эксплуатации защищаемого объекта стабильны во времени, величина критического тока пассивации и тока в пассивном состоянии не велика, т.е. металл находится в пассивном состоянии уже при потенциале коррозии.

Анодная защита от внешнего источника тока

Анодная защита с регулированием потенциала

 

    Если  протяженность пассивной области  металла достаточно велика, разница в величинах максимального тока и тока в пассивном состоянии мала, электролит имеет достаточную электропроводность и условия работы стабильны, то можно использовать систем анодной защиты, поддерживающую на защищаемом объекте постоянное напряжение.  

    Защита  при постоянном напряжении весьма эффективна при защите углеродистой стали в концентрированной серной кислоте, где область пассивного состояния – почти 2В, максимальный ток вые тока пассивации всего в 3:10 раз и электропроводность среды высока. Применим такой способ и для защиты титана в хорошо проводящих средах.

    Напряжение, задаваемое источником питания, распределяется следующим

    образом:

    U=(Ea – Ek) + IR (35)

    где U – задаваемое напряжение, В 

    Ea; Ek – потенциалы анода и катода, В

    R – сопротивление электролита,  Ом 

    Схема анодной защиты в этом случае достаточно проста (рис.5). В данном слчае нет необходимости применять дорогостоящие потенциостаты, достаточно использовать стабилизированный источник постоянного тока.  

    

    .

    Для периодического контроля работы анодной защиты в этом случае может быть использован электрод сравнения и прибор для измерения потенциала защищаемой поверхности. Если же условия эксплуатации конструкции изменяются во времени, вызывая колебания потенциала защищаемой конструкции, то для анодной защиты необходимо использовать схем с регулированием и контролем потенциала.

    рис 5

    1 – защищаемое устройство; 2 – катод;

    3 – источник питания; 4 - электрод сравнения

Анодная защита с регулированием и контролем потенциала

 

    Этот  метод электрохимической защиты основан на переводе поверхности металла из состояния активного растворения в устойчивое пассивное и поддержания этого состояния пропусканием электрического тока от специального регулируемого источника. Как правило, в качестве таких источников используются потенциостаты или источники постоянного тока, электронные схемы которых обеспечивают поддержание определенного значения потенциала защищаемого металла. Схематически этот способ защиты представлен на рис. 6.