Методика выполнения работы

Определение скорости электрохимической коррозии металлов в кислых средах производится с помощью измерителя скорости коррозии Р5035.

Электроды датчика изготавливаются из исследуемого металла. Рабочие поверхности образцов должны быть обращены друг к другу и расстояние между ними должно составлять около 5 мм. Нерабочие поверхности покрываются лаком. Площадь рабочей поверхности каждого электрода должна быть равна 2 см². При этой площади значение поляризационного сопротивления отсчитывается на измерителе непосредственно в омах на квадратный сантиметр.

Для перевода величины поляризационного сопротивления, выраженного в Ом/см², в единицы скорости коррозии, показание прибора следует разделить на коэффициент К, зависящий от кинетических параметров коррозионного процесса и способа выражения скорости коррозии. Скорость коррозии может быть выражена в токовых единицах (А/см²), массовых единицах (г/(м²ч)) и в линейных единицах (мм/год).

При этом используют токовый К_т, массовый К_м и линейный К_л коэффициенты, которые имеют следующие значения для железа в кислотных растворах:

К_т = 2,010^-2; К_м = 2,110²; К_л = 2,310².

Измеритель при подключении датчика с площадью рабочей поверхности электродов 2 см² каждый позволяет измерить скорость коррозии:

- в токовых единицах от 4,010^-3 до 4,010^-6 А/см²;

- в массовых единицах от 4,210¹ до 4,210^-2 г/(м²ч);

- в линейных единицах от 4,710¹ до 4,710^-2 мм/год.

Указанные пределы измерений могут быть расширены изменением площади рабочей поверхности электродов датчика. При этом для перевода показаний прибора нужно пользоваться следующей формулой:

,

где S – площадь поверхности одного из электродов датчика, см².

В зависимости от материала электродов и состава коррозионной среды значения коэффициентов К_т, К_м, К_л иногда могут отличаться от приведенных выше. Их легко найти по произведению показателей коррозии (токового i_т, массового i_м, линейного i_л,) на среднее поляризационное сопротивление. Показатели коррозии и среднее поляризационное сопротивление получают из отдельного опыта. При этом электроды до и после опыта взвешиваются. Расчет показателей скорости коррозии проводят по следующим формулам:

; ; ,

где Р – убыль в массе электродов, г;

n – валентность металла (для железа n=2);

9,64810⁴ – постоянная Фарадея, Кл/моль;

S – площадь поверхности электродов, см²;

τ – время испытания, ч;

А – относительная атомная масса металла (для железа А=55,8);

ρ – плотность металла, г/см³ (для железа ρ=7,8 г/см³).

Примеры определения скорости коррозии

1. Коррозия железа в 6 моль/дм³ H₂SO₄ при 20 ˚С.

С помощью измерителя получено значения R_n=56 Ом.

2. Коррозия железа в 1 моль/дм³ HCl при 20˚C, R_n=106 Ом.

3. Коррозия железа в 1 моль/дм³ H₂SO₄ в присутствии ингибитора α-пиколина с концентрацией 0,1 моль/дм³ при 20 ˚C. Измерено К_n, равное 470 Ом.

Порядок проведения работы

1. Подготовить образцы, промыть, обезжирить и закрепить в коррозионном датчике. Залить в стаканчик датчика коррозионную среду, уровень жидкости должен быть на 46 мм выше верхнего края лопатки образца.

2. Подключить коррозионный датчик к прибору с помощью кабеля.

3. Установить ручки потенциометров КОМПЕНСАЦИЯ Ен, ГРУБО, ТОЧНО в среднее положение. Кнопка Ен должна находиться в отпущенном состоянии.

4. Включить измеритель нажатием кнопки ВКЛ.

5. Включить первый поддиапазон измерения нажатием кнопки 0,1.

6. Произвести компенсацию сопротивления раствора R_p. Для этого:

а) нажать кнопку ~;

б) вращая ручку R_p, добиться нулевого показания нуль-индикатора (отклонение стрелки нуль-индикатора совпадает с направлением вращения ручки R_p). Если стрелка прибора не устанавливается на нуль, смотри пункт 10.

7. Произвести компенсацию начальной ЭДС коррозионного датчика:

а) нажать кнопки + или  (поляризация объекта положительным или отрицательным напряжением постоянного тока);

б) нажать кнопку КОМПЕНСАЦИЯ Ен, и с помощью ручек ГРУБО, ТОЧНО добиться нулевого показания нуль-индикатора, в противном случае смотри пункт 10.

8. Произвести измерение поляризационного сопротивления R_n:

а) вернуть кнопку КОМПЕНСАЦИЯ Ен в исходное состояние повторным нажатием,

б) вращая ручку R_n, добиться нулевого показания нуль-индикатора,

в) нажать ручку КОМПЕНСАЦИЯ Ен и убедиться, что стрелка индикатора находится на нуле (при невыполнении этого условия смотри пункт 9);

г) произвести отсчет измеренного поляризационного сопротивления по отсчетному устройству R_n с учетом множителей диапазонов 0,1; I; 10.

Цифры от I до 5 на малом лимбе отсчетного устройства R_n соответствуют сотням единиц измеряемой величины, а цифры от 0 до 9 на большом лимбе и деления между ними  десяткам и единицам измеряемой величины.

9. Операции, предусмотренные в п. 7 и 8, необходимо произвести попеременно несколько раз, пока показания нуль-индикатора не будут равны нулю как при нажатой, так и при отпущенной кнопке КОМПЕНСАЦИЯ Ен.

10. Если не удается добиться нулевого показания нуль-индикатора вращением ручек R_n и R_p, нужно перейти на следующие диапазоны нажатием кнопок I или 10 и опять произвести операции, перечисленные в п.6-8.

11. После окончания работы выключить измеритель нажатием кнопки ВКЛ, отсоединить кабель от датчика, слить раствор обратно в колбу, стаканчик и образцы промыть водой, образцы промокнуть фильтровальной бумагой.

12. Рассчитать скорость электрохимической коррозии в токовых, массовых и линейных единицах.

Необходимое оборудование и материалы

1. Измеритель скорости коррозии Р5035.

2. Коррозионный датчик.

3. Раствор кислоты.

Содержание отчета

I. Ответы на контрольные вопросы.

2. Расчет скорости электрохимической коррозии.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность определения скорости коррозии измерением пояризационного сопротивления?

2. В чем преимущество данного метода перед гравиметрическим?

3. В каких средах может применяться этот экспресс-метод?

Лабораторная работа 8 ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОТЕКТОРНОЙ ЗАЩИТЫ

Цель работы: установление зависимости величины радиуса действия протектора от состава агрессивной среды и материала протектора.

Теоретические сведения

Протекторами называются такие металлы, которые при присоединении к другому, более электроположительному металлу, защищают его от коррозии в агрессивной среде. Такая защита является электрохимической и называется протекторной. Она осуществляется в нейтральных или близких к нейтральным водных растворах. Эффект действия протектора определяется расстоянием от места соединения металла с протектором до ближайшего очага коррозии защищаемого металла. Предполагается, что это расстояние должно быть одинаково в обе стороны от протектора, и поэтому оно называется радиусом действия протектора. В связи с тем, что при электрохимической коррозии имеет место обмен ионами на границе металл – раствор, а также передвижение ионов в растворе и электронов в металле, то эффект действия протектора зависит от электропроводности раствора, и, следовательно, от состава и концентрации раствора. При увеличении концентрации соли в воде увеличивается электропроводность раствора, однако прямой зависимости между концентрацией раствора и радиусом действия протектора не наблюдается.

С увеличением концентрации соли сначала радиус действия протектора быстро растет, а затем скорость роста падает, что объясняется одновременным изменением как электропроводности раствора, так и условий протекания анодных и катодных процессов.

Помимо концентрации раствора радиус действия протектора зависит от того, из какого металла он изготовлен, т.е. от его потенциала и поляризуемости в данном растворе. Чем больше разность потенциалов между защищаемым металлом и протектором и чем меньше поляризация протектора, тем больше радиус его действия.

Протекторная защита стальных конструкций широко используется в морской воде и малопригодна в речной воде, так как в последней из-за относительно ее небольшой электропроводности радиус действия протектора мал. Протекторами для сталей являются цинк, алюминий и магний, а так же сплавы на основе этих металлов (указаны массовые проценты): сплав магния с 6 % Al и 3 % Zn, сплав Al и 5 % Zn и сплав цинка с 5 % Al. Из указанных протекторов наиболее сильными является магниевый сплав, потенциал которого в морской воде мало изменяется и равен –1,2 В, худшие результаты дают алюминий и его сплавы. Это объясняется тем, что алюминий имеет более высокий потенциал (–0,67 В), который к тому же повышается в процессе коррозии вследствие поляризации, что может привести к прекращению действия протектора через некоторое время. Цинк и цинковые сплавы имеют в морской воде потенциал –0,78 В, который с течением времени также облагораживается и приближается к потенциалу железа.

При погружении металлов в водный раствор происходят следующие окислительно-восстановительные реакции:

Me – ne → Me⁺ⁿ; О₂ + H₂O + ne → nOH^–; nH + ne → H₂.

Первая реакция соответствует окислению металла, вторая и третья – восстановление ионов из раствора. В связи с тем, что концентрация ионов водорода в нейтральных водных растворах мала и потенциал водорода –0.41 В, то окисляться за счет ионов водорода могут только металлы, потенциал которых отрицательнее –0.41 В.

При погружении стали в воду, протекают следующие процессы:

Fe → Fe²⁺ + 2e,

0,5О₂ + Н₂ + 2е → 2ОН^-.

Суммарная формула

Fe + 0,5O₂ + H₂O = Fe(OH)₂.

Под влиянием растворенного кислорода в воде происходит дальнейшее окисление двухвалентных ионов и образование ржавчины (гидрооксида железа):

Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ → mFe₂O₃·nH₂O.

Начало коррозии, т.е. появление двухвалентных ионов железа, можно обнаружить с помощью введения в воду цветных индикаторов. Характерным реактивом на ион Fe²⁺ является красная кровяная соль (калий железосинеродистый) K₃Fe(CN)₆.

Если эту соль добавить к воде, то в тех местах на поверхности стали, где начался процесс окисления железа – появляются синие пятна, так как протекает реакция образования турнбулевой сини:

3Fe²⁺ + 2[Fe(CN)₆]^3– → Fe₃[Fe(CN)₆]₂.

Расстояние от места контакта с протектором до ближайшего синего пятна на поверхности испытуемого образца и является радиусом действия протектора.