Примеры решения типовых задач по разделу «Электрохимическая коррозия»
Задача №4
Рассчитать
массу магниевого протектора,
предназначенного для защиты стальной
конструкции площадью в S=50
м2
в течении τ=10 лет, если незащищенная
сталь разрушалась со скоростью
=1,6
мм/год, а при подключении протектора,
скорость разрушения снизилась до
=0,03
мм/год. К.П.Д. магниевого протектора
составляет 60%. Теоретическая токоотдача
протектора 1/
=2,22 А·час/г.
Решение
1. Рассчитаем объем разрушенной стальной конструкции при отсутствии протекторной защиты:
=
S ·
=
50·106(мм2)·1,6(мм/год)=80·106(мм3/год)
2. Определим возможные потери массы стальной конструкции при отсутствии протекторной защиты:
=
·
=7,81(г/см3)·
80·103(см3/год)=624·103(г/год)
где - плотность стали.
3. Определим объем разрушенной стальной конструкции при наличии протекторной защиты:
=
S
=50·106(мм2)·0,03(мм/год)=1,5·106(мм3/год)
4. Рассчитаем потери массы стальной конструкции при наличии протекторной защиты:
=
=7,81(г/см3)·
1,5·103(см3/год)=11,7
103(г/год)
5. Определим практическую токоотдачу магниевого протектора:
К.П.Д.=
·100%
=(К.П.Д.·
)/100%
=(60%·2,22 А·час/г)/100%=1,332А·час/г
6. Изменение скорости коррозионного процесса v при условии защиты стальной конструкции протектором определяется по формуле
v=
– разница
между количеством железа, разрушенного
коррозией без защиты и при защите
магниевым протектором
v
= (624-11,7)·103/50·(365·24)=1,398(
)
или в единицах плотности тока i
i
=
где n – количество электронов, участвующих в коррозионном процессе окисления железа
Fе
- 2ē →
F
– число Фарадея, 26,8
АFе – масса 1 моля железа
i=
тогда ток коррозии I, проходящий через магниевый протектор, определяем по формуле
I=S·
I=50·1,398 2·26,8·/ 56=66,9(А)
Из закона Фарадея следует
/
(I·τ)
7. Рассчитаем массу магниевого протектора, необходимую для защиты стальной поверхности в течение года
=
(I·τ)
=
=439,97·103
г
А за 10 лет
=
τ·
= 10 лет·439,97 кг=4399,7 кг
Задача №5
Стальная конструкция корродирует в морской воде со скоростью 1,25 г/м2·сутки. Рассчитать минимальную плотность тока i (А/м2), необходимую для полной катодной защиты конструкции.
Решение
Условия полной катодной защиты стальной конструкции выполняются при условии
iкорр = iкатод. защиты
где iкорр – скорость коррозии стальной конструкции
iкатод. защиты – плотность тока, необходимая для полной катодной защиты конструкции
iкорр=
·
где n – количество электронов, участвующих в коррозионном процессе окисления железа
Fе - 2ē →
F – число Фарадея
τ – время коррозии
АFе – масса 1 моля железа
– изменение массы стальной конструкции за единицу времени коррозии
тогда минимальная плотность тока i, необходимая для полной катодной защиты конструкции, будет равна
iкатод. защиты=2·26,8·1,25 / 56·24=0,09 (А/м2)
Задача №6
Стальное изделие покрыто слоем цинка. Как будет протекать коррозия изделия во влажной атмосфере (рН = 7)?
Решение
Определим, какой из двух металлов будет играть роль анода, для этого сравним их стандартные электродные потенциалы: Zn2+
=
- 0,763 В <
= - 0,44 В
Металл, имеющий более отрицательную величину электродного потенциала, играет роль анода. В нашей задачи анодом будет цинковое покрытие, на железном электроде будет протекать процесс катодной деполяризации. В нейтральной влажной атмосфере протекает преимущественно кислородная деполяризация. Убедимся в термодинамической возможности её протекания, для чего вычислим потенциал кислородного электрода при рН=7
=
- 0,059 рН == +0,401 – 0,059·7 = -0,012 В
= -0,012 В > = - 0,763 В,
Термодинамическая возможность протекания кислородной деполяризации имеет место если ΔЕ= - >0
ΔЕ= (-0,012В) – (- 0,763В)=+0,751В >0, следовательно коррозия возможна.
Электродные процессы коррозии будут протекать следующим образом:
анодный процесс: Zn - 2e → Zn2+ 2
катодный процесс: О2 + 2Н2О + 4е → 4ОН¯ 1
Суммарный процесс: 2Zn + О2 + 2Н2О → 2Zn(ОН)2
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Задание 1.
Определить, удовлетворяют ли условию сплошности пленки. Плотности металлов и их соединений представлены в приложении 1.
Таблица 3
Вариант |
Задания |
1 |
Аg2О на Аg, МgF2 на Мg, WO2 на W |
2 |
AlF3 на Al, Mn3O4 на Mn, WO3 на W |
3 |
Al4C3 на Al, МgCl2 на Мg, ZnO на Zn |
4 |
Al2S3 на Al, MnO на Mn, V2O5 на V |
5 |
CaF2 на Са, Mn2O3 на Mn, Cr3Si2 на Cr |
6 |
CaCl2 на Са, MnO2 на Mn, Ni3C на Ni |
7 |
CoO на Co, MoO2 на Mo, Al2S3 на Al |
8 |
Co3O4 на Со, MoO3 на Mo, AlF3 на Al |
9 |
Cr2O3 на Cr, NbO на Nb, CaF2 на Са |
10 |
CrCl3 на Cr, Nb2O5 на Nb, MnO2 на Mn |
11 |
Cr3C2 на Cr, NiCl2 на Ni, Al4C3 на Al |
12 |
Cr3Si2 на Cr, NiO на Ni, МgCl2 на Мg |
13 |
CrB на Cr, Ni3S2 на Ni, V2O5 на V |
14 |
Cu2O на Cu, NiS на Ni, Mn2O3 на Mn |
15 |
CuO на Cu, Ni3C на Ni, Cr2O3 на Cr |
16 |
Cu2S3 на Cu, TiO на Ti, Cr3Si2 на Cr |
17 |
CuS на Cu, Ti2O3 на Ti, V2O5 на V |
18 |
FeF3 на Fe, TiO2 на Ti, Ni3S2 на Ni |
19 |
FeS на Fe, VO2 на V, Ni3C на Ni |
20 |
Fe3C на Fe, V2O5 на V, NiCl2 на Ni |
Задание 2.
На основании данных, приведенных в табл. 4, определить закон роста пленки на металле, найти уравнение зависимости толщины пленки от времени окисления. Привести примеры металлов, окисляющиеся по полученному закону.
Таблица 4
Вариант |
Задание |
||||||||
1 |
Время, час |
1 |
4 |
7 |
10 |
13 |
16 |
19 |
22 |
Толщина, нм |
0,8 |
3,2 |
5,6 |
8,0 |
10,4 |
12,8 |
15,2 |
17,6 |
|
2 |
Время, час |
1 |
4 |
7 |
10 |
13 |
16 |
19 |
22 |
Толщина, нм |
0,894 |
1,789 |
2,366 |
2,828 |
3,225 |
2,578 |
3,899 |
4,195 |
|
3 |
Время, час |
1 |
4 |
7 |
10 |
13 |
16 |
19 |
22 |
Толщина, нм |
1,0 |
1,301 |
1,423 |
1,5 |
1,557 |
1,609 |
1,639 |
1,671 |
|
4 |
Время, час |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
11 |
13 |
15 |
Толщина, нм |
0,7 |
2,1 |
3,5 |
4,9 |
6,3 |
7,7 |
9,1 |
10,5 |
|
5 |
Время, час |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
11 |
13 |
15 |
Толщина, нм |
0,837 |
1,449 |
1,871 |
2,214 |
2,51 |
2,775 |
3,014 |
3,24 |
|
6 |
Время, час |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
11 |
13 |
15 |
Толщина, нм |
2,0 |
2,286 |
2,419 |
2,507 |
2,573 |
2,625 |
2,662 |
2,706 |
|
7 |
Время, час |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
Толщина, нм |
5.5 |
11 |
16,5 |
22 |
27,5 |
33 |
38,5 |
44 |
|
8 |
Время, час |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
Толщина, нм |
1,817 |
2,569 |
3,146 |
3,633 |
4,062 |
4,45 |
4,806 |
5,138 |
|
9 |
Время, час |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
Толщина, нм |
1,4 |
1,52 |
1,591 |
1,641 |
1,68 |
1,711 |
1,738 |
1,761 |
|
10 |
Время, час |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
Толщина, нм |
1,5 |
3 |
4,5 |
6 |
7,5 |
9 |
10,5 |
12 |
|
Продолжение табл.4
Вар-нт |
Задание |
||||||||
11 |
Время, час |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
Толщина, нм |
0,574 |
0,812 |
0,995 |
1,149 |
1,285 |
1,407 |
1,52 |
1,625 |
|
12 |
Время, час |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
Толщина, нм |
1,25 |
1,1,325 |
1,369 |
1,401 |
1,425 |
1,445 |
1,461 |
1,476 |
|
13 |
Время, час |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
Толщина, нм |
1,75 |
3,5 |
5,25 |
7,0 |
8,75 |
10,5 |
12,25 |
14,0 |
|
14 |
Время, час |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
Толщина, нм |
1,775 |
2,51 |
3,074 |
3,55 |
3,969 |
4,347 |
4,96 |
5,02 |
|
15 |
Время, час |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
Толщина, нм |
1,305 |
1,35 |
1,376 |
1,395 |
1,41 |
1,422 |
1,432 |
1,44 |
|
16 |
Время, час |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
Толщина, нм |
3,3 |
6,6 |
9,9 |
13,2 |
16,5 |
19,8 |
23,1 |
26,4 |
|
17 |
Время, час |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
Толщина, нм |
2,377 |
3,362 |
4,117 |
4,754 |
5,315 |
5,822 |
6,289 |
6,723 |
|
18 |
Время, час |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
Толщина, нм |
0,584 |
0,75 |
0,847 |
0,916 |
0,969 |
1,012 |
1,049 |
1,081 |
|
19 |
Время, час |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
Толщина, нм |
4,433 |
6,269 |
7,678 |
8,87 |
9,91 |
10,86 |
11,73 |
12,54 |
|
20 |
Время, час |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
Толщина, нм |
1,915 |
1,93 |
1,939 |
1,945 |
1,95 |
1,954 |
1,957 |
1,96 |
|
Задание 3.
На основании приведенных в табл.5 данных найти энергию активации окисления металла в исследуемом интервале температур. Рассчитать скорость коррозии металла при температуре Т.
Таблица 5
№ |
Задание |
||||||||||
1 |
Т,К |
600 |
650 |
700 |
750 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
, г/м2·ч |
17,8 |
22,43 |
27,35 |
32,48 |
37,74 |
57,27 |
80,0 |
105,1 |
132 |
160,1 |
|
2 |
Т,К |
600 |
650 |
700 |
750 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
, г/м2·ч |
74,1 |
86,44 |
98,66 |
110,6 |
122,3 |
185,7 |
259,3 |
340,8 |
428,0 |
519,0 |
|
3 |
Т,К |
600 |
650 |
700 |
750 |
800 |
850 |
900 |
950 |
1000 |
1050 |
, г/м2·ч |
1,78 |
2,243 |
2,735 |
3,248 |
3,775 |
4,706 |
5,727 |
6,829 |
8,0 |
9,231 |
|
4 |
Т,К |
610 |
660 |
710 |
760 |
810 |
860 |
910 |
960 |
1010 |
1060 |
, г/м2·ч |
0,51 |
0,988 |
1,76 |
2,906 |
4,511 |
5,943 |
7,358 |
9,046 |
10,9 |
12,89 |
|
5 |
Т,К |
610 |
660 |
710 |
760 |
810 |
860 |
910 |
960 |
1010 |
1060 |
, г/м2·ч |
1,87 |
2,339 |
2,836 |
3,352 |
3,881 |
4,818 |
5,839 |
6,935 |
8,1 |
9,32 |
|
6 |
Т,К |
630 |
680 |
730 |
780 |
830 |
880 |
930 |
980 |
1030 |
1080 |
, г/м2·ч |
0,33 |
0,629 |
1,084 |
1,744 |
2,65 |
3,396 |
4,234 |
5,16 |
6,17 |
7,257 |
|
7 |
Т,К |
630 |
680 |
730 |
780 |
830 |
880 |
930 |
980 |
1030 |
1080 |
, г/м2·ч |
0,67 |
1,257 |
2,169 |
3,489 |
5,299 |
6,775 |
8,446 |
10,3 |
12,3 |
14,48 |
|
8 |
Т,К |
620 |
670 |
720 |
770 |
820 |
870 |
920 |
970 |
1020 |
1070 |
, г/м2·ч |
0,19 |
0,412 |
0,818 |
1,486 |
2,509 |
3,232 |
4,049 |
4,956 |
5,95 |
7,016 |
|
9 |
Т,К |
620 |
670 |
720 |
770 |
820 |
870 |
920 |
970 |
1020 |
1070 |
, г/м2·ч |
0,29 |
0,557 |
0,976 |
1,59 |
2,442 |
3,145 |
3,94 |
4,823 |
5,79 |
6,828 |
|
Продолжение табл.5
№ |
Задание |
||||||||||
10 |
Т,К |
500 |
550 |
600 |
650 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
, г/м2·ч |
9,755 |
13,54 |
17,8 |
22,49 |
27,35 |
46,79 |
71,04 |
99,23 |
130 |
163,8 |
|
11 |
Т,К |
600 |
650 |
700 |
750 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
, г/м2·ч |
74,1 |
86,44 |
98,66 |
110,6 |
122,3 |
185,7 |
259,3 |
340,8 |
428,0 |
519,0 |
|
12 |
Т,К |
600 |
650 |
700 |
750 |
800 |
850 |
900 |
950 |
1000 |
1050 |
, г/м2·ч |
1,78 |
2,243 |
2,735 |
3,248 |
3,775 |
4,706 |
5,727 |
6,829 |
8,0 |
9,231 |
|
13 |
Т,К |
610 |
660 |
710 |
760 |
810 |
860 |
910 |
960 |
1010 |
1060 |
, г/м2·ч |
1,87 |
2,339 |
2,836 |
3,352 |
3,881 |
4,818 |
5,839 |
6,935 |
8,1 |
9,32 |
|
14 |
Т,К |
610 |
660 |
710 |
760 |
810 |
860 |
910 |
960 |
1010 |
1060 |
, г/м2·ч |
0,51 |
0,988 |
1,76 |
2,906 |
4,511 |
5,943 |
7,358 |
9,046 |
10,9 |
12,89 |
|
15 |
Т,К |
630 |
680 |
730 |
780 |
830 |
880 |
930 |
980 |
1030 |
1080 |
, г/м2·ч |
0,33 |
0,629 |
1,084 |
1,744 |
2,65 |
3,396 |
4,234 |
5,16 |
6,17 |
7,257 |
|
16 |
Т,К |
630 |
680 |
730 |
780 |
830 |
880 |
930 |
980 |
1030 |
1080 |
, г/м2·ч |
0,67 |
1,257 |
2,169 |
3,489 |
5,299 |
6,775 |
8,446 |
10,3 |
12,3 |
14,48 |
|
17 |
Т,К |
620 |
670 |
720 |
770 |
820 |
870 |
920 |
970 |
1020 |
1070 |
, г/м2·ч |
0,29 |
0,557 |
0,976 |
1,59 |
2,442 |
3,145 |
3,94 |
4,823 |
5,79 |
6,828 |
|
18 |
Т,К |
620 |
670 |
720 |
770 |
820 |
870 |
920 |
970 |
1020 |
1070 |
, г/м2·ч |
0,19 |
0,412 |
0,818 |
1,486 |
2,509 |
3,232 |
4,049 |
4,956 |
5,95 |
7,016 |
|
Окончание табл.5
№ |
Задание |
||||||||||
19 |
Т,К |
600 |
650 |
700 |
750 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
, г/м2·ч |
17,8 |
22,43 |
27,35 |
32,48 |
37,74 |
57,27 |
80,0 |
105,1 |
132 |
160,1 |
|
20 |
Т,К |
600 |
650 |
700 |
750 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
, г/м2·ч |
74,1 |
86,44 |
98,66 |
110,6 |
122,3 |
185,7 |
259,3 |
340,8 |
428,0 |
519,0 |
|
Задание 4.
Рассчитать массу магниевого протектора, предназначенного для защиты стальной конструкции в течении заданного промежутка времени, если незащищенная сталь разрушалась со скоростью, данные по которой приведены в табл. 6, а при подключении протектора, скорость разрушения снизилась до =0,03 мм/год. К.П.Д. магниевого протектора составляет 60%.
Таблица 6
Вариант |
Поверхность стальной конструкции, м2 |
Время коррозии, год |
Скорость коррозии незащищенной стали, мм/год |
1 |
60 |
1 |
1,6 |
2 |
100 |
1,5 |
1,55 |
3 |
120 |
3 |
1,65 |
4 |
140 |
2 |
1,5 |
5 |
180 |
3 |
1,65 |
6 |
200 |
10 |
1,55 |
7 |
220 |
10 |
1,6 |
8 |
250 |
15 |
1,6 |
9 |
250 |
10 |
1,5 |
Продолжение таблицы 6
10 |
300 |
10 |
1,45 |
11 |
250 |
20 |
1,6 |
12 |
200 |
15 |
1,45 |
13 |
150 |
15 |
1,6 |
14 |
120 |
12 |
1,55 |
15 |
100 |
10 |
1,65 |
16 |
80 |
8 |
1,6 |
17 |
60 |
8 |
1,55 |
18 |
50 |
5 |
1,65 |
19 |
50 |
3 |
1,5 |
20 |
25 |
5 |
1,65 |
Задание 5.
Металлическая конструкция подвержена коррозии в морской воде с заданной скоростью, представленной в табл.7. Рассчитать минимальную плотность тока i (А/м2), необходимую для полной катодной защиты конструкции.
Таблица 7
Вариант |
Материал конструкции |
Скорость коррозии, г/м2·сутки |
1 |
сталь |
1,30 |
2 |
сталь |
1,40 |
3 |
сталь |
1,35 |
4 |
алюминий |
2,25 |
5 |
алюминий |
1,95 |
6 |
алюминий |
2,1 |
7 |
медь |
0,95 |
Продолжение таблицы 7
8 |
медь |
0,90 |
9 |
сталь |
0,85 |
10 |
сталь |
1,35 |
11 |
сталь |
1,45 |
12 |
алюминий |
2,5 |
13 |
алюминий |
3,0 |
14 |
алюминий |
3,3 |
15 |
медь |
1,1 |
16 |
магний |
3,7 |
17 |
магний |
3,2 |
18 |
цинк |
3,3 |
19 |
цинк |
4,5 |
20 |
цинк |
2,3 |
Задание 6.
Стальное изделие покрыто защитным металлическим слоем. Как будет протекать коррозия изделия во влажной атмосфере?
Таблица 8
Вариант |
Материал защитного слоя |
рН среды |
1 |
цинк |
8 |
2 |
цинк |
9 |
3 |
цинк |
10 |
4 |
цинк |
11 |
5 |
цинк |
12 |
6 |
цинк |
13 |
7 |
цинк |
14 |
8 |
никель |
7 |
Продолжение таблицы 8
9 |
никель |
8 |
10 |
никель |
9 |
11 |
никель |
10 |
12 |
никель |
11 |
13 |
никель |
12 |
14 |
никель |
13 |
15 |
никель |
14 |
16 |
медь |
7 |
17 |
медь |
8 |
18 |
медь |
9 |
19 |
медь |
10 |
20 |
медь |
11 |
Приложение 1
Вещество |
Плотность, г/см3 |
Вещество |
Плотность, г/см3 |
Вещество |
Плотность, г/см3 |
Ag2O |
3,07 |
MgF2 |
3,1 |
WO2 |
12,11 |
AlF3 |
3,07 |
MgCl2 |
2,32 |
WO3 |
7,16 |
Al4C3 |
2,36 |
MnO |
5,45 |
ZnO |
5,6 |
Al2S3 |
2,02 |
Mn3O4 |
4,86 |
Ag |
10,5 |
CaF2 |
3,18 |
Mn2O3 |
4,5 |
Al |
2,7 |
CaCl2 |
2,51 |
MnO2 |
5,03 |
Ca |
1,55 |
CoO |
6,2 |
MoO2 |
6,47 |
Co |
8,8 |
Co3O4 |
6,07 |
MoO3 |
4,5 |
Cr |
7,16 |
Cr2O3 |
7,2 |
NbO |
7,26 |
Cu |
8,95 |
CrCl3 |
2,76 |
Nb2O5 |
4,7 |
Fe |
7,86 |
Cr3C2 |
6,68 |
NiCl2 |
3,55 |
Mg |
1,74 |
Cr3Si2 |
5,5 |
NiO |
7,45 |
Mn |
7,3 |
CrB |
6,17 |
NiS |
5,4 |
Mo |
10,2 |
Cu2O |
6 |
Ni3S2 |
5,82 |
Nb |
8,56 |
CuO |
6,4 |
Ni3C |
7,96 |
Ni |
8,9 |
Cu2S3 |
5,78 |
TiO |
4,88 |
Ti |
4,54 |
CuS |
4,6 |
Ti2O3 |
4,88 |
V |
6,11 |
FeF3 |
3,81 |
TiO2 |
3,84 |
W |
19,3 |
FeS |
4,84 |
VO2 |
4,26 |
Zn |
7,14 |
Fe3C |
7,4 |
V2O5 |
3,36 |
33