Электрохимическая защита от коррозии

К электрохимическим методам борьбы с коррозией относятся методы, в основе которых лежат принципы смещения потенциала (в отрицательную или положительную сторону) защищаемого металла до значений, соответствующих крайне низким скоростям растворения. Сущность метода состоит в уменьшении скорости растворения металла при поляризации электрода от источника тока или при контакте с добавочным электродом (рис. 7.1). При этом в зависимости от направления смещения потенциала различают анодную и катодную электрохимическую защиту.

При катодной защите скорость растворения металла снижается за счет смещения потенциала отрицательнее потенциала свободной коррозии (Е), например до значений Е , что приводит к снижению скорости растворения до величины /, оказывающейся ниже I (рис. 7.1). При этом характер растворения металла не меняется. При анодной же защите снижение скорости растворения металла достигается вследствие перехода металла из активного в пассивное состояние при смещении его потенциала положительнее Е_сг, например до значения Е₂, лежащего в области пассивности металла.

Наибольшее распространение при защите от коррозии, протекающей по электрохимическому механизму, находит катодная защита. Этот вид электрохимической защиты применяется для металлов, не склонных к пассивации, т. е. имеющих протяженную область активного растворения. Осуществляется катодная.

Рис. 7.1. Коррозионная диаграмма, поясняющая снижение скорости растворения металла при электрохимической защите:

1 — парциальная кривая восстановления деполяризатора; 2 — парциальная кривая ионизации металла поляризация присоединением защищаемого объекта к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока (катодная защита) или к металлу (протектору), имеющему более отрицательный потенциал, чем потенциал защищаемого металла (протекторная защита).

Катодную защиту с использованием поляризации от внешнего источника тока применяют для защиты оборудования из углеродистых и низколегированных сталей, олова, цинка, медно-никелевых и других сплавов от подземной и морской коррозии, для предохранения оборудования на предприятиях химической промышленности.

Механизм катодной защиты лучше всего проследить по поляризационным кривым (рис. 7.2).

В коррозионной среде на металле протекают сопряженные реакции: анодный процесс ионизации (кривая 1 на рис. 7.2) и катодный процесс преимущественно за счет восстановления молекулярного кислорода (кривая 2 на рис. 7.2). Установившееся состояние на границе электрод — электролит характеризуется стационарным Е^, при.

Рис. 7.2. Поляризационные кривые, объясняющие механизм катодной.

защиты:

1 — суммарная анодно-катодная кривая; 2 — суммарная катодная кривая; 3 — парциальная кривая разряда ионов водорода; 4 — парциальная кривая разряда кислорода; 5 — парциальная кривая ионизации металла котором ток коррозии /_кор близок к предельному току восстановления кислорода. При наложении внешнего катодного тока (7 _щ) потенциал металла сдвигается от Е в область отрицательных значений до значений ?_ащ, при котором анодный ток растворения металла уменьшается до значения /_м" ^одзащ, т. е. снижаются потери от коррозии.

Основным критерием катодной защиты является защитный потенциал (? _ащ), при котором скорость растворения металла принимает предельно низкое значение, допустимое для данных условий эксплуатации (/_м" ^одза«¹). При выборе защитного потенциала необходимо принимать во внимание, что при значительном смещении в область отрицательных значений существенно увеличивается скорость восстановления водорода (кривая 3 на рис. 7.2). Поэтому защитный потенциал не должен превышать некоторого опасного значения, при котором начнется интенсивное выделение водорода и возникнет наводороживапие металла.

Для реализации катодной защиты используется вспомогательный электрод, роль которого обычно выполняет различный металлический лом (стержни, остатки металлической грубы), который растворяется:

или инертный материал, который не растворяется (например, ферросилицид), а анодный процесс на нем протекает, как правило, с большой поляризацией:

Для эффективной защиты между защищаемой деталью и вспомогательным электродом необходимо обеспечить разности потенциалов U. Поскольку необходимо преодолевать омическое падение напряжения в среде (А И_т), то защитное напряжение вычисляется следующим образом:

Для обеспечения эффективной защиты необходимо, чтобы на всем защищаемом объекте сохранялся достаточный для подавления коррозионных процессов катодный потенциал (?). В плохопроводящей коррозионной среде по мере удаления от места токоподвода (от точки Д на рис. 7.3) защитное действие электрического поля ослабевает в связи с омическими потерями, вследствие чего катодный потенциал уменьшается. Поэтому для протяженных объектов вводится понятие зоны защитного действия. Зона защиты (L) — это область по обе стороны от токоподвода, в которой потенциал металлического объекта будет отрицательнее принятого значения минимального защитного потенциала (is" «jj).

Зная пропускаемый ток катодной защиты (/) и длину зоны защиты (L), можно рассчитать затраты электроэнергии (W, кВт/ км) на снижение коррозионных потерь металла на километр длины в единицу времени:

Рис. 7.3. Схема распределения потенциала и тока при катодной защите трубопровода:

Т — трубопровод; СКЗ — станция катодной защиты; ГА — группа анодов; Д — точка подвода тока к трубе (точка дренажа); Ы2 — половина длины зоны защиты; ?*тх — значение потенциала в точке дренажа;? _т — стационарный (бестоковый) потенциал стального трубопровода в грунте, который устанавливается в точке; ЕТ* — принятое значение защитного потенциала, которое достигается в точке А.

Практическая часть

Цель работы — оценить эффективность катодной защиты стали в 3% растворе NaCl.

Методика эксперимента

1. Определить значение защитного потенциала стали в исследуемом растворе. Для этого снять поляризационную кривую.

Для поляризационных измерений подготовить стальной образец: выделить рабочую поверхность (S ~ 1 см²), измерить ее площадь, протравить и обезжирить при необходимости, зачистить место электрического контакта. Собрать установку для снятия поляризационной кривой, аналогичную описанной в разделе 2 (см. рис. 2.2).

Поляризационную кривую снимают в потенциодинамическом режиме из катодной области в анодную со скоростью развертки потенциала 1 мВ/c. Начальное значение потенциала — 1,200 В, конечное — 0,200 В. Таким образом получают суммарную поляризационную кривую стали в рабочем растворе (кривая 1 на рис. 7.2) в виде массива данных I—Е. Экспериментальные данные обработать согласно описанному ранее (раздел 2): привести потенциал в водородную шкалу, рассчитать плотность тока. Обработанные данные представить в виде графика, по которому определить стационарный потенциал (Е_п) и защитный потенциал (? _а) стали в 3% (масс) растворе NaCl. Последний должен находиться в области подъема катодного тока из-за выделения водорода.

2. Провести коррозионные испытания стального образца с катодной защитой и без нее. Для проведения коррозионных испытаний подготовить два стальных образца: измерить геометрические размеры, зачистить и обезжирить поверхность, промыть проточной водопроводной водой, тщательно просушить и взвесить с точностью до ±0,0002 г.

Один из образцов (образец 1) поместить в стакан с 3% (масс) раствором хлорида натрия, второй (образец 2) — в ячейку, показанную на рис. 7.4.

При помощи вольтметра измерить стационарный потенциал стали (образец 2) в 3% (масс) растворе хлорида натрия. Убедиться, что его значение близко к определенному ранее в ходе поляризационных измерений. Включить катодную защиту, установив на рабочем электроде значение потенциала, равное ранее определенному Е .

После установления потенциала железного электрода на заданном значении (? _аш) измерить последовательно потенциал вспомогательного электрода (Е) с помощью цифрового вольтметра и ток, отвечающий этому потенциалу.

Рис. 7.4. Схема лабораторной установки катодной защиты:

1 — потснциостат; ЦВ1 и ЦВ2 — высокоомные вольтметры; СР и ЭК — хлорсеребряный электрод сравнения и электролитический ключ; Я — электролитическая ячейка; ВСП — вспомогательный электрод (хромоникелевая сталь X18Н9Т) катодной защиты; Р — рабочий электрод; Э — 3% (масс) раствор NaCl.

Выдержать стальные образцы с катодной защитой и без нее в течение 2−4 ч. В течение испытаний поддерживать заданное значение потенциала рабочего электрода, подключенного к катодной защите. По окончании коррозионных испытаний выключить установку катодной защиты, вынуть стальные образцы (образцы 1 и 2) из раствора, промыть водопроводной водой, просушить фильтровальной бумагой, удалить продукты коррозии с помощью школьной резинки и взвесить.

По убыли массы рассчитать скорость коррозии (г/(м² • ч)) образцов:

где т_х и т₂ — масса стального образца исходная и после выдержки в соляном растворе; S — площадь образца; t — время выдержки в растворе.

Сравнить полученные результаты расчета, отметить различие, рассчитать эффективность катодной защиты:

где К_т1 и К — отрицательные показатели изменения массы испытуемых образцов 1 и 2 в отсутствие защиты и при катодной защите соответственно.

3. Оценить затраты электроэнергии на катодную защиту единичной площади стального образца (Вт/м²) по уравнению (7.4), заменяя длину зоны защиты на площадь образца 2.

Для расчета (У _ат ищ пренебречь омическим падением напряжения в растворе (ДU_mi = 0), значение U принять равным разности потенциалов Е и Е .

всп защ.

Оформление отчета

Описать суть катодной защиты металлических конструкций и выбор основного критерия защиты.

Сформулировать цель исследования.

Привести схему экспериментальной установки катодной защиты.

Основные результаты экспериментов привести в виде графика зависимости Е—i и таблиц (табл. 7.1 и 7.2) с пояснением расчетов.

Таблица 7.1

Результаты оценки эффективности катодной зашиты

Таблица 7.2

Параметры катодной защиты

Сделать вывод об эффективности катодной защиты.

Вопросы к коллоквиуму

• 1. Общий принцип электрохимической защиты металла от коррозии. Виды электрохимической защиты.
• 2. Сущность катодной защиты железа и его сплавов (пояснить с помощью коррозионной диаграммы).
• 3. Достоинства и недостатки, область применения катодной защиты.
• 4. Материалы, применяемые в качестве анода при катодной защите.
• 5. Порядок выполнения работы и обработка результатов.