Электрохимическая защита – надежная методика в борьбе с коррозией

1 Суть антикоррозионной электрохимической защиты

Любая конструкция из металла с течением времени начинает разрушаться в результате коррозионного воздействия. По этой причине металлические поверхности перед эксплуатацией в обязательном порядке покрывают специальными составами, состоящими из различных неорганических и органических элементов. Такие материалы в течение определенного периода надежно предохраняют металл от окисления (ржавления). Но через некоторое время их необходимо обновлять (наносить новые составы).

Тогда, когда защитный слой не удается возобновить, защита от коррозии трубопроводов, кузова автомобиля и других конструкций выполняется при помощи электрохимической методики. Она незаменима для предохранения от ржавления резервуаров и емкостей, работающих под землей, днищ морских кораблей, разнообразных подземных коммуникаций, когда потенциал коррозии (ее называют свободной) находится в зоне перепассивации основного металла изделия или активного его растворения.

Суть электрохимической защиты заключается в том, что к конструкции из металла подключают извне постоянный электроток, который формирует на поверхности металлоконструкции поляризацию катодного типа электродов микрогальванопар. В итоге на металлической поверхности наблюдается преобразование анодных областей в катодные. После такого превращения негативное влияние среды воспринимает анод, а не сам материал, из которого изготовлено защищаемое изделие.

Электрохимическая защита может быть либо катодной, либо анодной. При катодной потенциал металла смещается в отрицательную сторону, при анодной – в положительную.

2 Катодная электрозащита – как она действует?

Механизм процесса, если разобраться в нем, достаточно прост. Погруженный в электролитический раствор металл является системой с большим количеством электронов, которая включает в себя разделенные в пространстве катодные и анодные зоны, электрически замкнутые друг с другом. Подобное положение вещей обусловлено гетерогенной электрохимической структурой металлических изделий (например, подземных трубопроводов). Коррозионные проявления образуются на анодных областях металла из-за его ионизации.

При присоединении материала с большим потенциалом (отрицательным) к основному металлу, находящемуся в электролите, наблюдается образование общего катода за счет процесса поляризации катодных и анодных зон. Под большим потенциалом при этом понимают такую его величину, которая превосходит потенциал анодной реакции. В сформированной гальванопаре материал с малым потенциалом электрода растворяется, что приводит к приостановке коррозии (так как ионы предохраняемого металлического изделия не могут попадать в раствор).

Требуемый для защиты кузова автомобиля, подземных резервуаров и трубопроводов, днищ кораблей электрический ток может поступать от внешнего источника, а не только от функционирования микрогальванической пары. В подобной ситуации предохраняемая конструкция подключается к "минусу" источника электротока. Анод же, сделанный из материалов с малой степенью растворимости, подсоединяют к "плюсу" системы.

Если ток получают только от гальванопар, говорят о процессе с расходуемыми анодами. А при использовании тока от внешнего источника речь идет уже о защите трубопроводов, деталей транспортных и водных средств при помощи наложенного тока. Применение любой из этих схем обеспечивает качественную защиту объекта от общего коррозионного распада и от ряда особых его вариантов (селективная, питтинговая, растрескивающая, межкристаллитная, контактная виды коррозии).

3 Как работает анодная методика?

Данная электрохимическая методика предохранения металлов от коррозии применяется для конструкций из:

• углеродистых сталей;
• пассивирующихся разнородных материалов;
• высоколегированных и нержавеющих сталей;
• титановых сплавов.

Анодная схема предполагает смещение потенциала предохраняемой стали в положительную сторону. Причем этот процесс ведется до тех пор, пока система не входит в устойчиво пассивное состояние. Такая защита от коррозии возможна в средах, хорошо проводящих электрический ток. Преимущество анодной методики состоит в том, что она существенно замедляет скорость окисления защищаемых поверхностей.

Кроме того, подобная защита может осуществляться посредством насыщения специальными компонентами-окислителями (нитраты, бихроматы и другие) коррозионной среды. В этом случае ее механизм примерно идентичен традиционному методу анодной поляризации металлов. Окислители значительно увеличивают на поверхности стали эффект от катодного процесса, но они обычно негативно влияют на окружающую среду, выбрасывая в нее агрессивные элементы.

Анодная защита используется реже, чем катодная, так как к предохраняемому объекту выдвигается множество специфических требований (например, безупречное качество сварных швов трубопроводов или кузова автомобиля, постоянное нахождение электродов в растворе и пр.). Катоды при анодной технологии располагают по строго определенной схеме, которая принимает во внимание все особенности металлоконструкции.

Для анодной методики используются малорастворимые элементы (из них делают катоды) – платину, никель, нержавеющие высоколегированные сплавы, свинец, тантал. Сама же установка для такой защиты от коррозии состоит из следующих компонентов:

• защищаемая конструкция;
• источник тока;
• катод;
• специальный электрод сравнения.

Допускается применять анодную защиту для емкостей, где хранятся минеральные удобрения, аммиачные составы, серная кислота, для цилиндрических установок и теплообменников, эксплуатируемых на химических предприятиях, для резервуаров, в которых выполняют химическое никелирование.

4 Особенности протекторной защиты стали и металла

Достаточно часто применяемым вариантом катодной защиты является технология использования специальных материалов-протекторов. При подобной методике электроотрицательный металл подсоединяется к конструкции. На протяжении заданного временного промежутка коррозия воздействует именно на протектор, а не на предохраняемый объект. После того, как протектор разрушается до определенного уровня, вместо него ставят нового "защитника".

Протекторная электрохимическая защита рекомендована для обработки объектов, находящихся в грунте, воздухе, воде (то есть в нейтральных с точки зрения химии средах). При этом эффективной она будет лишь тогда, когда между средой и материалом-протектором имеется некоторое переходное сопротивление (его величина варьируется, но в любом случае является небольшой).

На практике протекторы используют при экономической нецелесообразности либо физической невозможности подвести требуемый заряд электрического тока к объекту из стали или металла. Стоит отдельно отметить тот факт, что защитные материалы характеризуются определенным радиусом, на который распространяется их положительное действие. По этой причине следует правильно высчитывать дистанцию для удаления их от металлоконструкции.

Популярные протекторы:

• Магниевые. Применяются в средах с рН 9,5–10,5 единиц (земля, пресная и малосоленая вода). Производятся из сплавов на основе магния с дополнительным легированием алюминием (не более 6–7 %) и цинком (до 5 %). Для экологии такие протекторы, защищающие объекты от коррозии, потенциально небезопасны из-за того, что они могут стать причиной растрескивания и водородного охрупчивания металлических изделий.
• Цинковые. Данные "защитники" незаменимы для конструкций, функционирующих в воде с большим содержанием соли. В других средах применять их нет смысла, так как на их поверхности появляются гидроксиды и оксиды в виде толстой пленки. В составе протекторов на базе цинка имеются незначительные (до 0,5 %) добавки железа, свинца, кадмия, алюминия и некоторых других химических элементов.
• Алюминиевые. Их используют в морской проточной воде и на объектах, находящихся на прибрежном шельфе. В алюминиевых протекторах имеется магний (около 5 %) и цинк (около 8%), а также в очень малых количествах таллий, кадмий, кремний, индий.

Кроме того, иногда применяются железные протекторы, которые производят из железа без каких-либо добавок либо из обычных углеродистых сталей.

5 Как выполняется катодная схема?

Температурные перепады и ультрафиолетовые лучи наносят серьезный вред всем внешним узлам и составным частям транспортных средств. Защита кузова автомобиля и некоторых других его элементов от коррозии электрохимическими методами признается весьма эффективным способом продления идеального внешнего вида машины.

Принцип действия такой защиты ничем не отличается от схемы, описанной выше. При предохранении от ржавления кузова автомобиля функцию анода может выполнить почти любая поверхность, которая способна качественно проводить электроток (влажное покрытие автодороги, металлические пластины, сооружения из стали). Катодом при этом является непосредственно корпус транспортного средства.

Элементарные способы электрохимической защиты кузова автомобиля:

1. Подключаем через монтажный провод и дополнительный резистор к плюсу АКБ корпус гаража, в котором стоит машина. Данная защита от коррозии кузова автомобиля особенно продуктивна в летний период, когда в автогараже присутствует парниковый эффект. Этот эффект как раз и предохраняет наружные части авто от окисления.
2. Монтируем специальный заземляющий металлизированный "хвост" из резины в задней части транспортного средства так, чтобы на него во время движения в дождливую погоду попадали капли влаги. При высокой влажности между автотрассой и кузовом автомобиля образуется разность потенциалов, которая и предохраняет наружные части ТС от окисления.

Также защита кузова автомобиля осуществляется при помощи протекторов. Их крепят на порогах машины, на днище, под крыльями. Протекторами в данном случае являются небольшие пластинки из платины, магнетита, карбоксила, графита (неразрушающиеся с течением времени аноды), а также из алюминия и "нержавейки" (их следует менять каждый несколько лет).

6 Нюансы антикоррозионной защиты трубопроводов

Системы труб в настоящее время защищаются посредством дренажной и катодной электрохимической методики. При предохранении трубопроводов от коррозии по катодной схеме используются:

• Внешние источники тока. Их плюс подключат к анодному заземлению, а минус – к самой трубе.
• Аноды-защитники, использующие ток от гальванических пар.

Катодная методика предполагает поляризацию предохраняемой стальной поверхности. При этом осуществляется подключение подземных трубопроводов к "минусу" комплекса катодной защиты (по сути, он представляет собой источник тока). "Плюс" подключают к добавочному внешнему электроду при помощи специального кабеля, который изготавливается из проводящей резины или графита. Данная схема позволяет получать электроцепь замкнутого типа, включающую в себя следующие компоненты:

• электрод (наружный);
• электролит, находящийся в почве, где выполнена прокладка трубопроводов;
• непосредственно трубы;
• кабель (катодный);
• источник тока;
• кабель (анодный).

Для протекторной защиты трубопроводов применяют материалы на основе алюминий, магния и цинка, коэффициент полезного действия которых равняется 90 % при использовании протекторов на базе алюминия и цинка и 50 % для протекторов из магниевых сплавов и чистого магния.

Для дренажной защиты систем труб применяется технология отвода в грунт блуждающих токов. Существует четыре варианта дренажной антикоррозионной защиты трубопроводов – поляризованный, земляной, усиленный и прямой. При прямом и поляризованном дренаже между "минусом" блуждающих токов и трубой ставят перемычки. Для земляной защитной схемы необходимо произвести посредством добавочных электродов заземление. А при усиленном дренаже трубных систем в цепь добавляют преобразователь, который необходим для повышения величины дренажного тока.