9.3 Электрохимическая защита
Коррозия металла в электролитической среде может быть замедлена путем изменения его электродного потенциала. На этом основана электрохимическая защита металлов от коррозии. В зависимости от вида поляризации различают катодную и анодную защиту.
9.3.1 Катодная зашита
Катодная защита основана на катодной поляризации металла, которая может быть осуществлена двумя путями:
- присоединением защищаемой детали к протектору — металлу, имеющему более электроотрицательный электродный потенциал;
- присоединением защищаемой детали к внешнему источнику тока.
В научно-технической литературе и на практике катодную защиту с применением протекторов принято называть «протекторной защитой», а с использованием внешнего источника тока — «катодной защитой».
Принципиальная схема протекторной защиты приведена на рисунке 34. Источником поляризующего тока является гальванический элемент, состоящий из защищаемой металлической конструкции 1 и электрода 2 с более отрицательным потенциалом — протектора.
1—защищаемая конструкция 2 - протектор
Рисунок 34 — Схема протекторной защиты
На поверхности металла находится большое количество анодных и катодных участков. Участок, имеющий более отрицательный потенциал, будет анодом, а более положительный — катодом. Для упрощения понимания механизма протекторной защиты будем рассматривать на поверхности защищаемого металла два участка: А — анодный участок, К — катодный участок. Таким образом, до подключения протектора коррозионная система является двухэлектродной, а с подключением протектора — трехэлектродной. До присоединения протектора между анодом и катодом возникает ток Jа, который и определяет процесс коррозии. После присоединения протектора, т. е. более сильного анода, ток протектора Jп будет противодействовать току в ветви локального анода. При определенных условиях ток анодного участка может уменьшиться до нуля и анодный участок начнет принимать электроны, посылаемые протектором. Это приведет к превращению анода А в катод и приостановлению коррозии защищаемого металла. Растворяться в этой трехэлектродной системе будет только протектор. Следовательно, механизм протекторной защиты сводится к превращению локальных анодов на поверхности защищаемого металла в катоды. При протекторной защите происходит катодная поляризация поверхности детали.
На рисунке 35 представлена диаграмма Эванса. Из нее видно, что для полной защиты металла от коррозии при протекторной защите сила защитного тока должна быть больше силы коррозионного тока. Материал для протектора должен иметь более отрицательный электрохимический потенциал в данных условиях, низкую скорость собственной коррозии и не покрываться плотными слоями продуктов коррозии, препятствующих нормальному растворению протектора. Для изготовления протекторов используют магний, цинк и сплавы на их основе. Цинк для протектора должен характеризоваться высокой чистотой (99,99%).
Присутствие железа вызывает пассивацию поверхности цинка и снижение токоотдачи. Магний — наиболее электроотрицательный материал, он обеспечивает более высокое получение электроэнергии на единицу веса
по сравнению с цинком. Но магний имеет и более высокую собственную скорость коррозии.
Рисунок 35 — Коррозионная диаграмма Эванса для полной
протекторной защиты
До подключения протектора:
φа; φк — начальные значения потенциалов анода и катода;
φ а S; φк S — анодная и катодная поляризационные кривые;
S — точка пересечения анодной и катодной поляризационных кривых, соответствующая общему потенциалу двухэлектродной системы φкор и максимальному коррозионному току Jкор.
После подключения протектора:
φ п — начальное значение потенциала протектора;
φп S'— поляризационная кривая протектора;
S' — точка пересечения поляризационных кривых протектора и катодной кривой, соответствующая общему потенциалу трехэлектродной системы;
Jзащ — cила защитного тока, при значении которого обеспечивается полная защита металла от коррозии.
Протектор работает эффективно, если переходное сопротивление между ним и окружающей средой невелико. Поэтому при защите подземных сооружений протектор погружают в специальные заполнители или активаторы, представляющие смесь глины с неорганическими солями.
Действие протектора ограничивается определенным расстоянием. Максимально возможное удаление протектора от защищаемой конструкции называется радиусом действия протектора. Он зависит от электропроводности среды и от разности потенциалов между протектором и защищаемой конструкцией. Так, радиус действия цинкового протектора при защите стали в дистиллированной воде равен 0,1 см, в морской воде — 4 м, в 3%-м растворе поваренной соли — 6 м.
Протекторную защиту применяют для борьбы с коррозией металлических конструкций в грунте, морской и речной воде и других нейтральных средах. Использование протекторной защиты в кислых средах ограничивается высокой скоростью саморастворения протектора.
Принципиальная схема катодной защиты от коррозии с использованием внешнего источника тока показана на рисунке 36.
1 — источник постоянного тока, 2 — защищаемая конструкция, 3 — анод, 4 — электрод сравнения, 5 — прибор для измерения потенциала
Рисунок 36 — Схема катодной защиты внешним током
Отрицательный полюс источника тока 1 соединен с защищаемой конструкцией 2, а положительный — с анодом 3. Отрицательный заряд с источника тока поступает на защищаемую конструкцию, течет по ней и через дефектные места изолирующего покрытия попадает в грунт и на анод, откуда возвращается к источнику тока. Электрод сравнения 4 служит для контроля величины потенциала металлоконструкции. По данным электрода сравнения устанавливается необходимое напряжение источника тока (автоматически или вручную) и сила защитного тока для поддержания определенного значения потенциала металлоконструкции.
Величину оптимальной защитной плотности тока рассчитывают в зависимости от природы защищаемого металла, типа коррозионной среды, величины переходного сопротивления между металлом и средой. Чем выше скорость коррозии, тем больше защитная плотность тока.
Анод (анодный узел) является важным элементом катодной защиты. От его характеристик зависят технические возможности и схемные решения катодной защиты. Аноды должны допускать высокий ток анодной поляризации и иметь при этом небольшую скорость растворения. Для изготовления анодов используются разные материалы — от стали, отличающейся высокой скоростью растворения, до платины. Катодную защиту широко применяют как дополнительное средство защиты изоляционного покрытия. Она рекомендуется для защиты подводных или подземных частей металлоконструкций. Катодная защита внешним током нецелесообразна в условиях атмосферной коррозии, в парообразной среде, в органических растворителях. В этих случаях коррозионная среда не обладает достаточной электропроводностью. Обязательным требованием для катодной защиты является наличие вокруг защищаемой конструкции толстого слоя электролита, чтобы ток мог равномерно распределяться по всей поверхности.
К достоинствам катодной защиты с использованием внешнего источника тока можно отнести возможность защиты больших металлических конструкций, возможность автоматизации в поддержании необходимой плотности тока и значения потенциала в зависимости от изменений внешних условий. К недостаткам катодной защиты следует отнести сравнительно высокую стоимость станции катодной защиты.