2. Методика и порядок проведения работы

В работе определяется средняя скорость коррозии v_ср за время проведения опыта τ по формуле

где - изменение массы образца за время опыта, г; S - площадь поверхности образца, м².

Опыты проводят с образцами углеродистой стали в семи стаканах, содержащих растворы серной кислоты с концентрациями 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 80% и 96%.

Перед началом опытов образцы стали следует зачистить наждачной бумагой, промыть в воде и вытереть насухо. Затем с помощью масштабной линейки определяют размеры образцов. Перед погру­жением в раствор образцы взвешивают на аналитических весах.

После указанных операций образцы осторожно погружают в стаканы с растворами H₂S0₄ и замечают время начала каждого опыта. Растворение образцов следует вести в вытяжном шкафу. По истечении заданного преподавателем времени выдержки образцы извлекают из кислоты, промы­вают, сушат и взвешивают во второй раз. Ре­зультаты опытов заносят в табл.3.1. Среднюю скорость коррозии рас­считывают по формуле (3.6).

Таблица 3.1

Результаты опытов

№ п/п	Конц. кислоты, мас.%	Масса образца до опыта, г	Масса образца после опыта, г.	Площадь образца, м2	Vcp, г/м2·час
1	20
2	30
3	40
4	50
5	60
6	80
7	96

По данным таблицы строят графики зависимостей; v_ср=f_i(С) и ln(v_c)_P=f₂(LnC). По начальному прямолинейному участку графика " ln(v_c)_P- LnC" находят постоянные К и n в уравнении (3.4). В выводах кратко излагают результаты работы и объясняют ход зависимости.

Контрольные вопросы

1. Какие анодные и катодные процессы протекают при коррозии стали в соляной и в серной кислоте?

2. Как влияет количество углерода в стали на скорость ее коррозии в кислых средах?

3. Какие явления на границе металл-электролит вызывают пассивацию ме­таллов?

4. Объясните ход зависимости скорости коррозии стали от концентрации серной кислоты.

5. Какими путями можно привести сталь в пассивное состояние?

6. В чем сущность метода анодной защиты сталей от коррозии?

Литература

1. Жук Н.П. Курс теории коррозии и. защиты металлов. М.: Металлургия, 1976.

2. Скорчелетти В.В. Теоретические основы коррозии металлов. Л.: Хи­мия, 1973.

3. Улит Г.Г. Коррозия и борьба с ней. Л.: Химия, 1989.

Работа №5. Катодная защита металлов от электрохимической коррозии.

1. Теоретические основы метода катодной защиты

Цель работы - исследование влияния плотности катодного тока от внешнего источника питания на скорость анодного растворения металлов в электролитах, оценка эффективности электрохимической зашиты.

Скорость коррозии металлов, контактирующих с растворами элект­ролитов, существенно зависит от величины электродного потенциала. Смещение потенциала в отрицательном направлении внешним током приводит к уменьшению скорости растворения металла. При увеличении плотности катодного тока и достижении равновесного потенциала ме­талла процесс коррозии может полностью прекратиться.

В качестве вспомогательных электродов (анодов) обычно исполь­зуют стальные изделия (обрезки балок, рельсов и т.п.) или графит. Необходимый электродный потенциал защищаемой конструкции можно поддерживать с помощью стабильного электрода сравнения и подклю­ченного к нему потенциостата, регулирующего величину выпрямленного тока.

Метод удобно использовать для электрохимической защиты под­земных трубопроводов, телефонных кабелей, стальных свай в грунте, внешних поверхностей подземных нефтяных или бензиновых цистерн, внутренних поверхностей стальных цистерн для воды и химических реактивов.

Рассмотрим сущность метода катодной защиты на примере коррозии железа (стали) в растворе серной кислоты. Электрохимический процесс коррозии складывается из анодного (5.1) и катодного (5.2) этапов:

Fe = Fe²⁺ + 2e (5.1)

2H⁺ + 2e = H₂ (5.2)_

Для упрощения рассуждений примем, что система не слишком удалена от равновесия и на коррозионной диаграмме наблюдается линейная связь плотности тока и перенапряжения (см. рис. 5.1). В отсутствие защитного тока от внешнего источника питания, на металле установится стационарный потенциал (_с, мВ), при котором скорости анодного (I_a, мА/см²) и катодного (I_k, мА/см²) этапов одинаковы

I_a=I_k=I_c (5.3)

Максимальная скорость коррозия (V_max, моль/м²с) в этом случае будет определяться величиной анодного тока I_a

V_max=I_a/(2FS) (5.4)

где постоянная Фарадея F = 96500 Кл/моль, S – площадь поверхности образца, м².

Рис.5.1. Коррозионная диаграмма "плотность тока - потенциал" в условиях катодной защиты: 1- анодная поляризационная зависимость; 2 - катодная поляризационная зависимость

При подключении защищаемого образца к отрицательному полюсу источника тока и смещении его потенциала в отрицательном направлении скорость анод­ной полуреакции (5.1) будет уменьшаться, а катодной (5.2) - увели­чиваться. При этом соотношение (5.3) нарушается. Например, при потенциале ' (см. рис.5.1)

I_k > I_a (5.5)

Уменьшение скорости анодной стадии при пропускании катодного тока эквивалентно уменьшению скорости коррозии стального образца. Внешний ток I_вн необходимый для смещения потенциала до значения ', представляет разность между катодным и анодным токами.

I _вн = I’_k – I’_ан (5.6)

Его величина на рис.5.I равна отрезку аb. Когда потенциал корродирующего металла сравняется с равновесным для анодной стадии ^а_р, скорость электрохимической коррозии уменьшится до нуля. Ток, обеспечивающий полную катодную защиту, называется током полной защиты I_З. Его величине на рис.5.1 соответствует отрезок cd.

Таким образом, при полной защите образца скорость анодной стадии равна нулю, а скорость катодной стадии определяется величиной внешнего тока, полностью расходуется на восстановление окислите­ля. Выделяющийся при этом водород может привести к ряду нежела­тельных последствий: вспучиванию и отслаиванию органических покры­тий, водородному охрупчиванию и растрескиванию металла. Поэтому чрезмерная перезащита стальных конструкций токами, превышающими I_З, недопустима.

Сместить стационарный потенциал металла в отрицательном направлении можно также обеспечив электрический контакт с другим металлом (протектором), имеющим в данной среде более отрицательный равновесный потенциал. Например, для стального образца ( В) можно в качестве протектора выбрать цинк ( В). В этом случае, стационарный потенциал электрохимической системы устанавливается таким, чтобы суммарный анодный ток был равен (по модулю) суммарному катодному току. Предположим, что весь катодный процесс будет сосредоточен на катодных участках защищаемого металла (т.е. катодная вольтамперная характеристика К останется прежней). Как видно из рис. 5.2 величина анодного тока, протекающего через защищаемую деталь, снизится от до . Такая защита будет тем эффективнее, чем больше будет площадь металла-протектора, чем более отрицательным будет равновесный потенциал анодного процесса на протекторе и чем больше будет плотность тока обмена этого процесса (т.е. чем круче будет его анодная ВАХ).

Рис.5.2 Коррозионная диаграмма при защите металла протектором.

Эффективность защиты обычно выражают через коэффициент торможения γ или степень защиты Z.

Коэффициент торможения показывает, во сколько раз уменьшается скорость коррозии в результате применения катодной защиты

γ = V_нз/V_з (5.7)

где V_нз и V_з - скорость коррозии незащищённого и защищённого образцов, соответственно.

Степень защиты указывает насколько полно удалось подавить коррозию благодаря применению этого метода

Z = (V_нз – V_з) / V_нз (5.8)

При полной защите образца скорость коррозии становится равной нулю, коэффициент торможения - бесконечности, а степень защиты - единице.