4.2.3. Анодная защита

Анодная защита основана на анодной поляризации пассивирующихся металлов от внешнего источника тока. Как известно, легко пассивирующиеся металлы располагаются в левых подгруппах IV, VI групп и в VII группе Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Пассивное состояние их обусловлено образованием на поверхности металла тонких оксидных или солевых пленок, а также адсорбционных слоев. В технике широко используют титан, нержавеющие стали, никелевые сплавы и платиноиды. Наличие пассивной пленки на поверхности металла приводит к значительному снижению скорости коррозии. Анодная поляризация металла до потенциалов пассивности может осуществляться путем соединения с протектором, имеющим более положительный потенциал, чем защищаемый металл. Данный способ именуется анодно-протекторной защитой.

Анодно-протекторная защита титана обеспечивается контактом его с платиной, стальной арматуры в бетоне - за счет легирования медью.

Из анализа обобщенной потенциостатической поляризационной кривой (рис. 3.12.) явствует, что область устойчивого пассивного состояния соответствует малой скорости коррозии (обычно 10^-4 ¸ 10^-2А/м²). Выход за пределы этой области при анодной защите недопустим, т.к. может привести к значительному возрастанию скорости коррозии. Для надежной защиты оборудования протяженность области пассивности должна быть не менее 50 мВ.

Анодная защита эффективна для подавления общей и локальной коррозии (питтинговой, межкристаллитной и коррозионного растрескивания).

Достоинства анодной защиты: возможность использования для аппаратов сложной конфигурации (насосов, радиаторов), малая концентрация продуктов коррозии в растворе (имеет большое значение в пищевой, фармацевтической, химической промышленности), торможение локальной коррозии, невысокие эксплуатационные расходы вследствие малой защитной силы тока.

Недостатки анодной защиты: высокая стоимость оборудования и необходимость непрерывной безаварийной работы контрольно-регулирующей аппаратуры.

Для осуществления анодной защиты используются серийно выпускаемые лабораторные потенциостаты и промышленные регуляторы потенциала (табл. 4.2.4 ).

В СССР были разработаны и внедрены: автоматическая система анодной защиты "Донец-12", система пассивации и контроля анодной защиты "СПИКА". Они осуществляют автономное регулирование, показ и регистрацию защитных потенциалов всех подключенных к системе объектов, предусматривают аварийно-предупредительную, светозвуковую сигнализацию о смещении защитных потенциалов за границы допустимых значений и о возможности нарушения защиты. Обязательными элементами анодной защиты также являются катод и электрод сравнения.

Материал катода должен быть коррозионно устойчив в промышленных агрессивных средах при катодной поляризации и без наложения потенциала. Платиновые электроды, коррозионно устойчивые во многих агрессивных средах, из-за высокой стоимости используют ограниченно, главным образом при анодной защите небольших объектов.

Таблица 4.2.4

Техническая характеристика потенциостатов для анодной защиты

Характеристика	П20М-1	РППД-5	ПИ-50
Диапазон регулирования, В	+/_ 4,0	0 – 1,0	+/_ 8,0
Максимальный кратковременный выходной ток, А	20	5	6 (имп.)
Максимальный длительный выходной ток, А	5	-	1
Максимальная погрешность, мВ	+ 10	не более 20	1,5
Время отработки, с	1	1	0,000001(п); 0,001 (г)
Режим работы	непрерывный	периодический	статический; импульсный
Масса, кг	25	8	22

Обычно в целях экономии используют комбинированные электроды, в которых конструкционным материалом является титан, серебро, медь, латунь, бронза, свинец, а платина (или другой электрохимически активный металл) наносится в виде тонкой фольги. Материал катода должен также обеспечивать протекание основных катодных процессов (восстановление ионов водорода и растворенного кислорода) с малым перенапряжением. Широко распространены катоды из самопассивирующихся металлов: в серной кислоте - из тантала, меди, в щелочной - из никеля, углеродистой стали, аустенитных хромоникелевых сталей, сплавов Ti - Pt, Ti - Ta, Ti - Nb.

Известно применение молибдена для серной кислоты и кремнистого чугуна для растворов неорганических солей и серной кислоты.

Форму и количество катодов выбирают в зависимости от конструкции защищаемых аппаратов. Иногда для предварительной пассивации используют временные дополнительные катоды.

При анодной защите химического оборудования используют выносные и погружные электроды сравнения; из выносных чаще всего - хлорсеребряный и каломельный. Более удобны и просты в работе погружные электроды - ртутносульфатный, кремниевый, оксидновисмутовый, оксидносурьмяный, оксидномолибденовый и др.

Разработку систем анодной защиты начинают с лабораторного изучения анодного поведения металла в данной среде, снимают анодные потенциостатические поляризационные кривые. По ним определяют диапазон защитных потенциалов, критическую плотность тока и плотность тока полной пассивации.

Аппаратурное оформление анодной защиты, число и форма катодов определяется конструктивными особенностями защищаемых объектов и электропроводностью среды. При высокой электропроводности технологической среды расположение катодов в аппарате слабо влияет на пассивацию поверхности. При низкой электропроводности среды, вследствие возникновения большого градиента потенциала вдоль защищаемой поверхности, на некотором расстоянии от аппарата стенки остаются в активном состоянии и подвергаются коррозии, в то время как вблизи катода потенциал удерживается в области устойчивой пассивности. Поэтому предварительные сведения о дальнодействии анодной защиты, о рассеивающей способности коррозионной среды могут иметь большое практическое значение.

В настоящее время разработаны методики расчета анодной защиты для ряда систем.

При анодной защите трубопровода длина пассивного участка при использовании внешнего катода может быть определена по уравнению Макарова:

L_п = (e_защ - e_пп)·R/(r·i_защ),

где L_п - длина пассивного участка, м; e_защ - поддерживаемый потенциал защиты, В; e_пп- потенциал полной пассивации, В; i_защ - защитная плотность тока, А/м²; R - радиус трубопровода, м; r - удельное электрическое сопротивление среды, Ом·м.

Реализацию анодной защиты проводят в два этапа. В пусковой период обеспечивают первоначальную пассивацию аппарата большими токами. В стационарных условиях эксплуатации (при неизменных уровне электролита, тепловом и гидродинамическом режимах) для поддержания установившегося пассивного состояния поверхности потребны сравнительно малые защитные токи; они могут быть определены как произведение плотности тока в пассивном состоянии на величину смоченной поверхности. Изменение условий эксплуатации (колебания температуры, уровня электролита, состава раствора и т.п.) приводят к изменению защитного тока в широких пределах. По этой причине мощность оборудования для анодной защиты должна иметь 5¸10 кратный запас по сравнению с потребляемой ею мощностью в стационарном режиме. Начальная пассивация сразу всей поверхности защищаемого аппарата требует весьма больших токов (сотни ампер), так как для полной пассивации защищаемой поверхности металла необходимо пропускать ток максимальной плотности i_кр. Как правило, величина i_кр. превышает i_защ на 2¸3 порядка и более. Для снижения силы тока в пусковой период до приемлемой величины рекомендуется постепенное заполнение аппарата электропроводной средой при включенном регуляторе потенциала, применение низких температур, использовать среды, способствующие самопассивации металла и т.п.

Защита от коррозии химической аппаратуры производится в основном с применением анодной защиты. Использование катодной защиты в агрессивных средах затруднено, так как для достижения защитного катодного потенциала необходимо прилагать высокую плотность тока, при которой на защищаемой поверхности происходит интенсивное выделение водорода. При катодной защите замкнутых аппаратов возможно образование взрывоопасных смесей водорода с выделяющимся на аноде кислородом, с воздухом, часто заполняющим газовое пространство аппарата. Защитная плотность тока при анодной защите ниже на 1¸2 порядка, чем при катодной, что обеспечивает уменьшение выделения газов на ту же величину.

Применение анодной защиты позволяет в качестве конструкционного материала для химического оборудования использовать экономно легированные стали и титан. Она сдерживает развитие селективной коррозии феррита, межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания хромоникелевых сталей в серной кислоте, содержащей хлорид натрия, позволяет избежать питтинговой коррозии стали 1Х18Н9Т в разбавленной азотной кислоте, содержащей ионы хлора, предотвращает растрескивание вследствие наводороживания металла и т.д.

Анодная защита широко применяется для углеродистых сталей в жидких минеральных удобрениях, для автоклавов из углеродистой стали при щелочной варке целлюлозы, для углеродистых и хромоникелевых сталей в растворах, содержащих серную и фосфорную кислоту, в среде гидроксиламинсульфата.

Наиболее эффективна анодная защита нержавеющих сталей и алюминия в серной кислоте любых концентраций до температуры 120 ^оC; углеродистых сталей в аммиачных средах и серной кислоте концентрацией выше 80%; титана в соляной кислоте.

Большой эффект обеспечивает анодная защита стальных и алюминиевых емкостей для транспортировки и хранения серной кислоты (автомобильные, железнодорожные цистерны и т.п.), что позволяет сохранить высокое качество кислоты, используемой для тонких химических технологий.